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.

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

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.