Spostare il calore dove vuoi che vada, aggiungendolo a case e asciugacapelli, rimuoverlo dai motori delle auto e dai frigoriferi è una delle grandi sfide dell'ingegneria.

Ogni attività genera calore, perché l'energia sfugge da tutto ciò che facciamo. Ma troppo può consumare batterie e componenti elettronici, come le parti di un vecchio laptop che si surriscalda troppo per sedersi effettivamente sulle tue ginocchia. Se non riesci a liberarti del calore, hai un problema.

Scienziati dell'Università di Chicago hanno inventato un nuovo modo per incanalare il calore a livello microscopico:un isolante termico realizzato con una tecnica innovativa. Impilano strati ultrasottili di lastre cristalline uno sopra l'altro, ma ruota leggermente ogni strato, creando un materiale con atomi allineati in una direzione ma non nell'altra.

"Pensa a un cubo di Rubik parzialmente finito, con i livelli tutti ruotati in direzioni casuali, " ha detto Shi En Kim, uno studente laureato della Pritzker School of Molecular Engineering che è il primo autore dello studio. "Ciò significa che all'interno di ogni strato del cristallo, abbiamo ancora un reticolo ordinato di atomi, ma se ti sposti allo strato vicino, non hai idea di dove saranno i prossimi atomi rispetto allo strato precedente:gli atomi sono completamente disordinati lungo questa direzione."

Il risultato è un materiale estremamente bravo sia a contenere il calore che a spostarlo, anche se in direzioni diverse:un'abilità insolita su microscala, e uno che potrebbe avere applicazioni molto utili nell'elettronica e in altre tecnologie.

"La combinazione di un'eccellente conduttività termica in una direzione e di un eccellente isolamento nell'altra direzione non esiste affatto in natura, ", ha affermato l'autore principale dello studio Jiwoong Park, professore di chimica e ingegneria molecolare all'Università di Chicago. "Speriamo che questo possa aprire una direzione completamente nuova per la creazione di nuovi materiali".

Gli scienziati sono costantemente alla ricerca di materiali con proprietà insolite, perché possono sbloccare funzionalità completamente nuove per dispositivi come l'elettronica, sensori, tecnologia medica o celle solari. Per esempio, Le macchine per la risonanza magnetica sono state rese possibili dalla scoperta di uno strano materiale che può condurre perfettamente l'elettricità.

Il gruppo di Park stava studiando modi per creare strati estremamente sottili di materiali, che hanno uno spessore di pochi atomi. Normalmente, i materiali utilizzati per i dispositivi sono costituiti da materiali estremamente regolari, reticoli ripetuti di atomi, il che rende molto facile per l'elettricità (e il calore) muoversi attraverso il materiale. Ma gli scienziati si sono chiesti cosa sarebbe successo se avessero invece ruotato leggermente ogni strato successivo mentre li impilavano.

Hanno misurato i risultati e hanno scoperto che una parete microscopica fatta di questo materiale era estremamente efficace nell'impedire al calore di spostarsi tra i compartimenti. "La conduttività termica è semplicemente sorprendentemente bassa, bassa come l'aria, che è ancora uno dei migliori isolanti che conosciamo, " disse Park. "Questo di per sé è sorprendente, perché è molto insolito trovare quella proprietà in un materiale che è un solido denso, quelli tendono ad essere buoni conduttori di calore".

Ma il punto che è stato davvero emozionante per gli scienziati è stato quando hanno misurato la capacità del materiale di trasportare il calore lungo il muro, e ho scoperto che poteva farlo molto facilmente.

Queste due proprietà in combinazione potrebbero essere molto utili. Per esempio, rendere i chip dei computer sempre più piccoli si traduce in una quantità sempre maggiore di energia in un piccolo spazio, creare un ambiente con un'elevata "densità di potenza" - un punto caldo pericoloso, disse Kim.

"Fondamentalmente stai cuocendo i tuoi dispositivi elettronici a livelli di potenza come se li stessi mettendo in un forno a microonde, " ha detto. "Una delle più grandi sfide nell'elettronica è prendersi cura del calore su quella scala, perché alcuni componenti dell'elettronica sono molto instabili alle alte temperature.

"Ma se possiamo usare un materiale che può sia condurre il calore che isolare il calore allo stesso tempo in direzioni diverse, possiamo sottrarre calore alla fonte di calore, come la batteria, evitando le parti più fragili del dispositivo."

Questa capacità potrebbe aprire le porte alla sperimentazione di materiali che sono stati troppo sensibili al calore per essere utilizzati dagli ingegneri nell'elettronica. Inoltre, creare un gradiente termico estremo, dove qualcosa è molto caldo da un lato e freddo dall'altro, è difficile da fare, soprattutto su scale così piccole, ma potrebbe avere molte applicazioni nella tecnologia.

"Se pensi a cosa ha fatto per noi il vetro della finestra, essere in grado di mantenere separate le temperature esterne e interne, puoi avere un'idea di quanto potrebbe essere utile, " ha detto Parco.

Gli scienziati hanno testato la loro tecnica di stratificazione solo in un materiale, detto bisolfuro di molibdeno, ma penso che questo meccanismo dovrebbe essere generale rispetto a molti altri. "Spero che questo apra una direzione completamente nuova per la realizzazione di conduttori termici esotici, " ha detto Kim.