Calore in eccesso sprigionato dagli smartphone, laptop e altri dispositivi elettronici possono essere fastidiosi, ma oltre a ciò contribuisce a malfunzionamenti e, in casi estremi, può persino far esplodere le batterie al litio.

Per difendersi da tali mali, gli ingegneri spesso inseriscono il vetro, plastica o persino strati d'aria come isolante per evitare che componenti che generano calore come i microprocessori causino danni o disturbino gli utenti.

Ora, I ricercatori di Stanford hanno dimostrato che alcuni strati di materiali atomicamente sottili, impilati come fogli di carta sopra punti caldi, può fornire lo stesso isolamento di una lastra di vetro 100 volte più spessa. A breve termine, scudi termici più sottili consentiranno agli ingegneri di rendere i dispositivi elettronici ancora più compatti di quelli che abbiamo oggi, ha detto Eric Pop, professore di ingegneria elettrica e autore senior di un articolo pubblicato il 16 agosto in Progressi scientifici .

"Stiamo osservando il calore nei dispositivi elettronici in un modo completamente nuovo, " ha detto il papà.

Rilevamento del suono come calore

Il calore che proviamo da smartphone o laptop è in realtà una forma impercettibile di suono ad alta frequenza. Se ti sembra una follia, considerare la fisica sottostante. L'elettricità scorre attraverso i fili come un flusso di elettroni. Quando questi elettroni si muovono, si scontrano con gli atomi dei materiali attraverso i quali passano. Con ogni tale collisione un elettrone fa vibrare un atomo, e più scorre la corrente, più collisioni si verificano, finché gli elettroni non battono sugli atomi come tanti martelli su tante campane, tranne che questa cacofonia di vibrazioni si muove attraverso il materiale solido a frequenze molto al di sopra della soglia dell'udito, generando energia che sentiamo come calore.

Pensare al calore come a una forma di suono ha ispirato i ricercatori di Stanford a prendere in prestito alcuni principi dal mondo fisico. Dai suoi giorni come DJ radiofonico al KZSU 90.1 FM di Stanford, Pop sapeva che gli studi di registrazione musicale sono silenziosi grazie alle spesse finestre di vetro che bloccano il suono esterno. Un principio simile si applica agli scudi termici nell'elettronica di oggi. Se un migliore isolamento fosse la loro unica preoccupazione, i ricercatori potrebbero semplicemente prendere in prestito il principio dello studio musicale e ispessire le loro barriere termiche. Ma ciò vanificherebbe gli sforzi per rendere l'elettronica più sottile. La loro soluzione era prendere in prestito un trucco dai proprietari di casa, che installano finestre a più riquadri, di solito strati d'aria tra lastre di vetro di diverso spessore, per rendere gli interni più caldi e silenziosi.

"Abbiamo adattato quell'idea creando un isolante che utilizzava diversi strati di materiali atomicamente sottili invece di una spessa massa di vetro, ", ha affermato lo studioso postdottorato Sam Vaziri, l'autore principale sulla carta.

I materiali atomicamente sottili sono una scoperta relativamente recente. Solo 15 anni fa gli scienziati sono stati in grado di isolare alcuni materiali in strati così sottili. Il primo esempio scoperto è stato il grafene, che è un singolo strato di atomi di carbonio e, da quando è stato trovato, gli scienziati stavano cercando, e sperimentando, altri materiali simili a fogli. Il team di Stanford ha utilizzato uno strato di grafene e altri tre materiali simili a fogli, ciascuno spesso tre atomi, per creare un isolante a quattro strati profondo solo 10 atomi. Nonostante la sua magrezza, l'isolante è efficace perché le vibrazioni del calore atomico vengono smorzate e perdono gran parte della loro energia mentre attraversano ogni strato.

Per rendere pratici gli scudi termici su scala nanometrica, i ricercatori dovranno trovare una tecnica di produzione di massa per spruzzare o depositare in altro modo strati sottilissimi di materiali sui componenti elettronici durante la produzione. Ma dietro l'obiettivo immediato di sviluppare isolanti più sottili si profila un'ambizione più grande:gli scienziati sperano di controllare un giorno l'energia vibrazionale all'interno dei materiali nel modo in cui ora controllano l'elettricità e la luce. Quando arrivano a comprendere il calore negli oggetti solidi come una forma di suono, sta emergendo un nuovo campo della fononica, un nome preso dalla radice greca dietro telefono, fonografo e fonetica.

"Come ingegneri, sappiamo molto su come controllare l'elettricità, e stiamo migliorando con la luce, ma stiamo appena iniziando a capire come manipolare il suono ad alta frequenza che si manifesta come calore su scala atomica, " ha detto il papà.