Důmyslný ultratenký tepelný štít ochrání elektroniku  
Extrémně tenký materiál z několika vrstev 2D materiálů, včetně populárního grafenu, je velmi slibný jako tepelná izolace pro velmi malou a kompaktní elektroniku. Vrstvy tepelného nanoštítu polykají teplo, jako by to bylo kouzlo.
Tepelný štít o šířce 2 atomy.  Kredit: National Institute of Standards and Technology.
Tepelný štít o šířce 2 atomy. Kredit: National Institute of Standards and Technology.

Soudobé elektronické přístroje se při provozu často nápadně zahřívají. Takové odpadní teplo může být nepříjemné, ale také nebezpečné. Zahřátá elektronika může selhávat a v extrémních případech může dojít k explozi baterií s katastrofálními následky. Aby tomu vědci a inženýři zabránili, brání v šíření tepla z elektronických komponent se sklonem k zahřívání, jako jsou mikroprocesory, sklem, plastem nebo i vrstvami vzduchu.

 

Na americkém Stanfordu vymysleli nový důmyslný materiál, který je velice tenký a přitom brání zahřívání stejně dobře, jako stokrát silnější plátek skla a teplo vede hůře nežli vzduch o pokojové teplotě. Takový materiál by v dohledné době mohl umožnit vývoj ještě mnohem kompaktnějších a menších elektronických zařízení, než jaké vídáme v dnešní době.

 

Eric Pop. Kredit: Stanford University.
Eric Pop. Kredit: Stanford University.

Z jistého úhlu pohledu je teplo z chytrých telefonů a notebooků vlastně určitou formou „zvuku“ o vysokých frekvencích. Elektřina prochází vodiči jako proud elektronů. Jak se tyto elektrony pohybují, tak narážejí do atomů materiálu, kterým procházejí. Každá taková kolize příslušný atom rozvibruje. Čím více elektrického proudu prochází, tím více atomy materiálu vibrují v neslyšitelné kakofonii. Tyto vibrace za prahem slyšitelnosti, tedy vlastně fonony, nesou energii, kterou vnímáme jako teplo.

 

Stanford University, logo
Stanford University, logo

Eric Pop a jeho kolegové si vypůjčili nápad od stavitelů, kteří používají vícevrstevná okna. Jejich izolační vlastnosti jsou založené na vrstvách skla o různé tloušťce, mezi nimiž je vzduch. Pop a spol. jenom namísto tabulí skla použili vrstvy ultratenkých a 2D materiálů. Tyto vrstvy jsou celkem 4. Tři z nich jsou tvořeny materiálem o síle 3 atomy, konkrétně sulfidem molybdeničitým a selenidem wolframičitým. Čtvrtou vrstvu představuje grafen, jehož tloušťka je jeden jediný atom. Výsledný materiál tepelného štítu má tedy tloušťku 10 atomů. To je asi 50 tisíckrát méně než tloušťka běžného listu papíru. Navzdory své velice nepatrné tloušťce je ale takový tepelný štít velmi účinný, protože vibrace atomů ztrácejí značnou část své energie, když procházejí z jedné vrstvy štítu do další.

 

Aby byl takový tepelný nanoštít praktický, tak teď badatelé hledají vhodný postup pro jeho výrobu ve velkém měřítku. Buď by mohl být nastřikován anebo nějakým jiným způsobem nanášen během výroby elektronických komponent a zařízení. V budoucnu by vědci rovněž rádi ovládali vibrace v materiálu v podobném rozsahu, jako dnes ovládáme elektřinu nebo světlo. Výsledkem by mohly být technologie nového typu, kterým bychom mohli říkat fononika (anglicky phononics).

Video:  2D Materials Workshop: Eric Pop, Thermal Properties of 2D Materials & Devices


Literatura
Stanford University 16. 8. 2019, Science Advances 5: eaax1325.

Datum: 21.08.2019
Tisk článku

Tesla - Génius, který zkrotil elektřinu - Kent David J.
 
 
cena původní: 348 Kč
cena: 296 Kč
Tesla - Génius, který zkrotil elektřinu
Kent David J.
Související články:

Jak získat elektřinu z tepelného záření Země kvantovým tunelováním?     Autor: Stanislav Mihulka (08.02.2018)
Jak vytěžit elektřinu z odpadního tepla?     Autor: Stanislav Mihulka (11.07.2018)
Nová geotermální baterie přeměňuje teplo přímo na elektřinu     Autor: Stanislav Mihulka (25.07.2019)



Diskuze:

Tepelné fonony

Lukáš Fireš,2019-08-22 09:49:42

Tento příměr ke zvuku mne zaujal, ale jde vážně o fonony nebo o fotony?
Tepelné záření je světlo (el.mag. - foton), ne přenos tlaku (fonon),
ale co vlastní přenos tepla uvnitř materiálu...? Fonon?
Jak vlastně vzniká foton tepelného záření, z čeho?

Představím si, že třeba vibruje kladně nabité jádro, což produkuje proměnlivé magnetické pole, což produkuje proměnlivé elektrické pole, což zpětně zpomaluje vibraci jádra a to vznikající pole je světlo... jen je to celé kvantováno. Dobrá nebo chybná představa? Vibruje jádro nebo celý neutrální atom? Jak by v druhém případě vzniklo tepelné záření? A co pohlcení?

Odpovědět


Re: Tepelné fonony

Pavel K2,2019-08-23 10:10:44

Teplota materiálu je vibrace (kmitání) celých atomů. Fotonu můžete říkat "tepelné záření", ale to je jen vyjádření toho, že fotony určitých vlnových délek vnímáme jako teplo, protože rozkmitají naše atomy. Tyto fotony zpravidla nemají dost velké kvantum energie na to, aby excitovaly elektron, ale pro příspěvky ke kmitání atomů neexistuje žádné minimální kvantum a tedy jejich energie je předána atomu (v molekule). Proto také vysoká teplota pomáhá chemickým reakcím, atomy snáze unikají ze stávajích molekulárních vazeb a vytváří nové.
Naopak může tepelné záření také vznikat pohybem atomů - známé jako záření absolutně černého tělesa. Ale pro nižší teploty (třeba kolem 100 st. Celsia) jsou vzniklé fotony málo energetické, tj. přenos teploty zářením je neefektivní a účinnější je přenos sdílením - v podstatě mechanickým přenosem vibrací atomů mezi látkami, např. hliník/vzduch. A tady může popisovaný materiál účinně pomoci.

Odpovědět

Tepelny stit alebo chladic ?

Martin X,2019-08-22 07:25:21

Aby nedochadzalo k prehrievaniu, tak teplo z elektroniky treba odvadzat, nie elektroniku tepelne izolovat. Zakon zachovania energie stale plati, teda co sa neodvedie ostane v elekronickom zariadeni a tak sposobi zvysenie teploty.

Odpovědět


Re: Tepelny stit alebo chladic ?

Mojmir Kosco,2019-08-22 11:38:50

Taky jsem si myslel že dochází spíš k zahřívání a kvazičástice fonon je taky dobrý ale ve vesmíru je asi tepelný štít zapotřebí.

Odpovědět

super nápad

Petr V,2019-08-21 22:54:00

tím se změní celý elektronický průmysl..

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace