首页 >> 民商图文 >>民商快讯 >>商媒在线 >> 只有10个原子厚的超薄隔热材料
详细内容

只有10个原子厚的超薄隔热材料

时间:2019-10-09     作者:文/Nick Lavars 编译/李雨蒙【原创】

持电子产品的冷却是设备正常运转的重要保障,可是增加储存热能的部件会扩大产品的整体体积。最近,美国斯坦福大学的电子工程师们研发出一种原子级可替换的石墨烯隔热材料,厚度比一张纸还薄5万倍。

为了防止笔记本电脑、手机或其他电子产品出现过热、故障甚至是发生爆炸等情况,工程师们经常将一些玻璃片、塑料片或是空隙嵌入电子产品中作为隔热层。可是,斯坦福大学电子工程系的教授Eric Pop想到了用另一种特殊的方式来控制热度。

由于热和声音都被看作是一种振动,用玻璃隔热和用玻璃给录音棚隔音,原理是相似的。

Pop研究团队是从双层玻璃窗中获得了灵感——厚度不同的玻璃层,其间有空气层相隔,这可以让室内更加温暖和安静。所以,研究人员尝试用可替换的超薄材料代替玻璃作为小型隔热层。近年来,材料科学的飞速发展将这种构想变为了现实。

石墨烯是一种单层碳原子,自从2004发现它以来,我们已经开发出石墨烯的多种用途,是迄今为止人工制造最结实的原子级材料。

科学家们希望将这种优质材料应用于一切领域,比如微纳加工、光电、能源、生物医学、照明设备、军事等等。Pop团队将单原子石墨烯层与其他2D材料层(如二硫化钼、二钼化钨和二硒化钨)相融合,每一层约有3个原子的厚度,将它们堆叠在多张纸一样的材料上。隔热层由4层物质构成,整体大约有10个原子的厚度,通过试验显示,这种隔热材料具有非常出色的隔热效果。

Pop表示:“我们已经测算出这些原子级石墨烯层对于锁住热流的能力。简要地来说,我们将石墨烯层放在材料顶部作为超薄的电子导热层(由于碳原子的原子数相对较低,在每个异质结构顶部的单层石墨烯很难被识别出来), 随后通过拉曼激光测试热流是怎样通过剩下的材料层。由于激光的功率很低,它不会产生多余的热量,但是它能敏感地探测到堆叠物质中每一种材料的温度并发射出信号。

科学家们表示即使在火锅上方放置这种比玻璃片还薄100倍的隔热材料,它也能够表现出同样水平的隔热效果。尤其在追求更加小型轻薄的电子设备时,这种隔热材料能够发挥出很好的效果。当大规模再生产这种材料时,研究团队发现了进一步开发这种材料的方法。其中包括超薄材料的大面积自动化转移,或是将这种材料放置在其他材料的上面。

另一种选择是在生产过程中,利用类似喷墨打印机的设备将隔热层喷涂在电子元件中。“所有这些方法在某种程度上已经被证实,都存在自身的优势与弱点。”Pop说到。“比如,喷涂是最便宜的方法,但是会产生劣质的薄膜,直接喷涂可以得到最高质量的薄膜,但是操作过程却十分复杂。”Pop表示:“我们的梦想就是希望控制热能可以像控制光能和电能那样容易。智能手机、笔记本电脑以及其他电子设备产生的过多热能会让人感到厌烦,除此之外还会引发故障,甚至在极端情况下,发生锂电池爆炸。”

Pop说到:“我们正在以一种全新的方式来看待电子设备产生的热能。我们在智能手机或笔记本电脑中感受到的热能,实际上是一种无声状态的高频电波,我们检测热能就像探测声音一样。电流通过电线犹如一连串的电粒子,当这些电粒子移动时,就会与材料原子发生碰撞。每一次撞击,一个电粒子就会引起一个原子的振动,电流越多,所产生的撞击也就越多,电子撞击原子就像多个锤子敲在多个铃铛上一样。固体材料在一定频率上产生撞击的刺耳声超过了耳朵可承受的极限,这种过量就是我们感受到的热量。” 通过抑制原子的热震动,当电粒子通过每一层材料时,都会失去大部分的震动能量。这种将固体材料中的热能理解为一种声音的方法,来源于一门新兴学科——声子学。

Pop认为:“目前运用这项技术的困难不在于是否具有可行性或是难以操作,而是需要一种新型的隔热开关装置,能够有效地开关热流,这也是目前我们团队正在攻克的难题。而隔热材料能够使电子在小型几何体(如手机和笔记本电脑)中更好地按既定路线传递热能。Pop解释到:“比如现在就看我打字的这个键盘已经很热了,但是它可以很好地向侧面散发热能,向后方和侧方排出热气,而不用等到键盘烫手再释放热量。”

纳米材料的异质结构能够集成各个结构基元的性质,可实现对原子核电子结构的调制,从而获得新的功能。

接下来,为了使纳米级的隔热层投入实际应用,研究人员一定要找到大规模生产的技术将原子级材料层在生产中喷入或嵌入电子元件中,不过开发出更薄隔热层的目标,还间接地引发了科学家更大的野心:他们希望有一天能够像控制电能和光一样控制材料中的震动能。

“我们现在已经适应了这样的做法,用多层原子级材料代替大片的厚玻璃作为隔热层。”论文第一作者Sam Vaziri博士后表示。原子级材料是近年来的一项重要发明。自科学家能够将某些物质分离成很薄的物质层,只有15年的历史。斯坦福研究团队利用一层石墨烯和三层其他片状材料作为隔热材料,尽管隔热层非常轻薄,但隔热效果却非常出色。Pop 表示:“作为工程师,我们非常了解如何控制电流,对光的处理能力也日渐成熟,可是我们只是刚刚才懂得如何在原子级将高频声波作为热能的方法。”

编译自《New Atlas》网站

 (责任编辑 姜懿翀)


技术支持: 联子网络科技(北京)有限公司 | 管理登录