Pozrite si
Riadenie tepelných tokov je výzvou v elektronike, v mikročipoch ide o problém ešte vypuklejší, ale aj v strojoch, v batériách a v mnohých iných oblastiach. Využívajú sa pritom materiály, ktoré sú dobrými izolátormi, alebo vodičmi tepla, napríklad v prípade chladičov.
Nový materiál, ktorí vyvinuli vedci z Chicagskej univerzity v spolupráci s Pritzker School of Molecular Engineering, premosťuje túto dualitu a dokáže byť zároveň dobrým vodičom, aj izolantom tepla. Správa sa totiž anizotropne – blokuje teplo v jednom smere, ale vedie ho iným.
Elektronické zariadenia, tak ako všetky stroje a systémy, v ktorých nastávajú straty energie, sa zahrievajú odpadovým teplom. To je nepríjemný vedľajší efekt ich činnosti, s ktorým musia rátať konštruktéri, aby nedochádzalo k ich prehriatiu a prípadnému zničeniu.
Ale s rastúcim počtom tranzistorov v mikročipoch a s postupujúcou miniaturizáciou elektronických prístrojov sa stále zmenšuje priestor pre chladiace alebo vetracie systémy. Oddeliť citlivé komponenty od prehriatych výkonových súčiastok je problematické.
Výskum tímu z Chicagskej univerzity však priniesol technológiu na získanie materiálov s obzvlášť výhodnými vlastnosťami. Tieto nové materiály môžu byť nielen tepelnými izolátormi, alebo vodičmi, ale môžu mať obidve vlastnosti súčasne. Bránia prúdeniu tepla v jednom smere, ale v inom smere ho dokážu dobre viesť.
Kľúčom k objavu je tenký film z disulfidu molybdénu. Normálne je to dobrý vodič tepla, ale tím vedcov zistil, že pri stohovaní vrstiev materiálu a ich následnom miernom skrútení nebolo teplo schopné dobre prechádzať medzi vrstvami vo vertikálnom smere. Stále však môže prúdiť horizontálne cez samotnú vrstvu.
Koncepčná stratégia inžinierstva tepelnej anizotropie v systéme jedného materiálu s použitím náhodného otáčania medzivrstvy v polykryštalických vrstvových materiáloch. Podrobný popis obrázku bol publikovaný v magazíne Nature.
V praxi by sa táto technika dala použiť na výrobu tepelných štítov, ktoré teplo nielen blokujú, ale ho aj odvádzajú preč. Netreba myslieť hneď na tepelné štíty rakiet a kozmických lodí, ale ktovie čo dokážu vymyslieť inžinieri v budúcnosti. V omnoho reálnejšej aplikácii by takéto materiály mohli chrániť napríklad citlivé súčiastky pred zahrievaním od batérií, ale zároveň chladiť aj samotné batérie. Táto otázka začína byť „horúca“ najmä s príchodom vysokovýkonných rýchlonabíjačiek pre elektromobily, pri ktorých sa ráta s výkonom stoviek kilowattov.
Táto technológia by mohla nájsť aj iné uplatnenie, napríklad pri vývoji účinnejších termoelektrických generátorov. Tie vyrábajú elektrický prúd prostredníctvom teplotného rozdielu medzi teplejšou a chladnejšou stranou.
„Ak vezmeme do úvahy, akým prínosom pre nás bola obyčajná okenná tabuľka zo skla, ktorá má schopnosť udržať v izolácii vonkajšie a vnútorné teploty, môžeme pochopiť, aké užitočné môžu byť tieto nové materiály,“ povedal vedúci autor štúdie Jiwoong Park, profesor chémie a molekulárneho inžinierstva na Chicagskej univerzite.
Vedci sú presvedčení, že nové vlastnosti sa dajú dosiahnuť aj s inými materiálmi, nielen so sulfidom molybdénu, pokiaľ by boli spracované rovnakým spôsobom.
Výskum bol publikovaný v časopise Nature.
Zdroj