El exceso de calor emitido por teléfonos inteligentes, computadoras portátiles y otros dispositivos electrónicos puede ser molesto, pero más allá de eso contribuye al mal funcionamiento y, en casos extremos, incluso puede hacer que exploten las baterías de litio.
Para protegerse contra tal problemática, los ingenieros a menudo insertan vidrio, plástico o incluso capas de aire como aislamiento para evitar que los componentes que genera calor, como los microprocesadores, causen daños o incomoden a los usuarios.
Ahora, los investigadores de la Universidad de Stanford han demostrado que unas pocas capas de materiales atómicamente delgados, apilados como hojas de papel, pueden proporcionar el mismo aislamiento que una hoja de vidrio 100 veces más gruesa.
En corto plazo, escudos térmicos más delgados permitirán a los ingenieros hacer dispositivos electrónicos aún más compactos que los que tenemos hoy en día, dijo Eric Pop, profesor de ingeniería eléctrica y autor principal del artículo publicado en Science Advances.
Detectando sonido como calor
El calor que sentimos de los teléfonos inteligentes o computadoras portátiles es en realidad una forma inaudible de sonido de alta frecuencia. Si eso parece una locura, considere la física subyacente. La electricidad fluye a través de los cables como una corriente de electrones. A medida que estos electrones se mueven, colisionan con los átomos de los materiales a través de los cuales pasan. Con cada colisión de este tipo, un electrón hace vibrar un átomo, y cuanto más corriente fluye, más colisiones ocurren, hasta que los electrones golpean a los átomos como martillos en campanas, excepto que esta cacofonía de vibraciones se mueve a través del material sólido en frecuencias muy por encima del umbral de audición, generando energía que sentimos como calor.
Pensar en el calor como una forma de sonido inspiró a los investigadores de Stanford a tomar prestados algunos principios del mundo físico. Pop sabía que los estudios de grabación de música son silenciosos gracias a las gruesas ventanas de vidrio que bloquean el sonido exterior (principio similar se aplica actualmente), pero eso frustraría los esfuerzos para hacer que la electrónica sea más delgada.
Su solución fue tomar prestado un truco de los propietarios de viviendas, quienes instalan ventanas de paneles múltiples, generalmente capas de aire entre láminas de vidrio con diferentes espesores. “Adaptamos esa idea al crear un aislante que utilizara varias capas de materiales atómicamente delgados en lugar de una gruesa masa de vidrio“, dijo el investigador postdoctoral Sam Vaziri, co-autor del artículo.
El equipo de Stanford utilizó una capa de grafeno y otros tres materiales en forma de láminas, cada uno de tres átomos de espesor, para crear un aislante de cuatro capas de solo 10 átomos de profundidad. A pesar de su delgadez, el aislante es efectivo porque las vibraciones de calor atómico se amortiguan y pierden gran parte de su energía a medida que pasan a través de cada capa.
Para que los protectores térmicos a nanoescala sean prácticos, los investigadores deberán encontrar alguna técnica de producción en masa para rociar o depositar capas de materiales delgadas como átomos en componentes electrónicos durante la fabricación.
Pero detrás del objetivo inmediato de desarrollar aisladores más delgados se vislumbra una ambición más amplia: los científicos esperan algún día controlar la energía vibratoria dentro de los materiales de la forma en que ahora controlan la electricidad y la luz. A medida que llegan a comprender el calor de los objetos sólidos como una forma de sonido, está surgiendo un nuevo campo de fonética, un nombre tomado de la raíz griega de la palabra detrás de teléfono, fonógrafo y fonética.
“Como ingenieros, sabemos bastante acerca de cómo controlar la electricidad, y estamos mejorando con la luz, pero estamos empezando a entender cómo manipular el sonido de alta frecuencia que se manifiesta como calor a escala atómica“, dijo Pop.
Fuente: Universidad de Standford
Artículo: Vaziri, S., Yalon, E., Rojo, M. M., Suryavanshi, S. V., Zhang, H., McClellan, C. J., et al. (2019). Ultrahigh thermal isolation across heterogeneously layered two-dimensional materials. Science Advances, 5(8), eaax1325.
