Het isolatiemateriaal bestaat uit drie lagen van elk drie atomen dik en een laag grafeen van een atoom dik. National Institute of Standards and Technology

Een hitteschild van slechts 10 atomen dik voor toekomstige elektronische toestellen

Onderzoekers van de Stanford University hebben isolatiemateriaal ontworpen dat slechts tien atomen dik is. In de toekomst kan het mogelijk gebruikt worden als hitteschild in smartphones en computers om mensen en onderdelen die gevoelig zijn aan warmte, te beschermen. Het nieuwe materiaal isoleert even goed als een laag glas die 100 keer dikker is en dat zou kunnen leiden tot nog compactere elektronische toestellen.

Hitte die wordt afgegeven door smartphones, laptops en andere elektronische toestellen kan niet alleen vervelend zijn, maar ze draagt ook bij tot defecten en ze kan in extreme gevallen zelfs maken dat lithiumbatterijen ontploffen. 

Om dat te vermijden gebruiken ingenieurs vaak glas, plastic of zelfs lagen lucht als isolatie van componenten die hitte afgeven, zoals microprocessoren.

Nu hebben onderzoekers van de Stanford University aangetoond dat een paar lagen van materiaal dat slechts enkele atomen dik is, even goed kunnen isoleren als een glazen plaat die honderd keer dikker is.

Materiaal dat slechts enkele atomen dik is, is een relatief nieuwe ontdekking. Het is nog maar vijftien jaar geleden dat wetenschappers in staat waren om materialen in zo'n dunne lagen te maken. Het eerste materiaal dat ontdekt werd, was grafeen, dat bestaat uit één enkele laag koolstofatomen. Sinds dat ontdekt is, zoeken wetenschappers naar andere soortgelijke materialen en experimenteren ze ermee. 

Het team van Stanford gebruikte een laag grafeen en drie andere materialen, die elk drie atomen dik waren, om een hitteschild te maken bestaande uit vier lagen dat slechts tien atomen dik is. Ondanks het feit dat het materiaal zo dun is, isoleert het zeer goed omdat de atomaire trillingen van de warmte gedempt worden en veel van hun energie verliezen als ze door de verschillende lagen trekken. 

Op korte termijn zullen dunnere hitteschilden ingenieurs in staat stellen om elektronische toestellen zelfs nog compacter te maken dan de toestellen die we nu al hebben, zei Eric Pop, een professor van elektrische techniek aan Stanford en de senior auteur van de studie over het nieuwe materiaal. 

Om de hitteschilden op nanoschaal ook praktisch toepasbaar te maken, zullen de onderzoekers een manier moeten vinden om de ultradunne lagen van materiaal op de elektronische componenten te spuiten of op een andere manier aan te brengen tijdens de productie van de elektronische toestellen. 

Maar er is bij deze ontwikkeling ook iets anders aan de hand: "We kijken naar de warmte in elektronische toestellen op een geheel nieuwe manier", zei Pop in een persbericht van Stanford.

Scanning probe microscopy van grafeen, een enkele laag van koolstofatomen. US Army Materiel Command/Wikimedia Commons/CC BY-SA 2.0

Warmte is onhoorbare vorm van geluid

De warmte van onze smartphones of laptops die we voelen, is in feite een onhoorbare vorm van geluid met een hoge frequentie. 

Elektriciteit stroomt door kabels als een stroom van elektronen. Als die elektronen bewegen, botsen ze met de atomen van het materiaal waar ze door stromen. Bij elke botsing doet een elektron een atoom vibreren, en hoe meer stroom er door een kabel stroomt, hoe meer botsingen er zich voordoen, tot de elektronen op de atomen slaan als ontelbare hamers op ontelbare bellen. Alleen trekt deze kakofonie van vibraties door het vaste materiaal met golflengten die ver boven wat hoorbaar is liggen, en ze wekken energie op die we voelen als warmte.  

Door te denken over warmte als een vorm van geluid, kregen de onderzoekers van Stanford het idee om een aantal principes aan de fysieke wereld te ontlenen. Pop wist nog van toen hij radio dj was, dat het in opnamestudio's stil is dankzij dikke glazen ruiten die de geluiden van buitenaf blokkeren. Een gelijkaardig principe is van toepassing op de hitteschilden die momenteel gebruikt worden in allerlei elektronica.

Als betere isolatie hun enige zorg was, zouden de onderzoekers eenvoudigweg het principe van de muziekstudie hebben kunnen overnemen en hun hitteschilden dikker maken. Maar dat zou dan de inspanningen dwarsbomen om elektronische toestellen dunner te maken. De oplossing die de onderzoekers kozen, was een trucje over te nemen van huiseigenaren, die ramen met dubbel of drievoudig glas installeren om hun kamers warmer en stiller te maken. 

"We pasten dat idee aan door een isolator te creëren waarin we verschillende lagen van atomair dunne materialen gebruikten in plaats van een dikke massa glas", zei postdoc Sam Vaziri, de hoofdauteur van de nieuwe studie. 

Maar achter het onmiddellijke doel om een dunner hitteschild te ontwerpen gaat een grotere ambitie schuil: wetenschappers hopen op een dag de trillingsenergie in materialen net zo goed te kunnen controleren als ze nu elektriciteit en licht controleren. 

Naarmate ze meer begrijpen over warmte in vaste objecten als een vorm van geluid, ontwikkelt zich het nieuwe vakgebied van de 'phononics', afgeleid van het Griekse woord voor 'geluid' of 'stem'.

"Wij ingenieurs weten behoorlijk veel over hoe we elektriciteit moeten controleren, en we worden beter met licht, maar we beginnen nog maar net te begrijpen hoe we het hoge frequentie geluid kunnen manipuleren dat zich manifesteert als warmte op een atomaire schaal", zei Pop. 

De studie van de onderzoekers uit Stanford en twee andere Amerikaanse instituten is gepubliceerd in ScienceAdvances. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van Stanford University.