Tạo tấm chắn nhiệt có độ dày 10 nguyên tử để bảo vệ thiết bị điện tử

Khi hoạt động, việc các máy tính xách tay, điện thoại thông minh và nhiều thiết bị điện tử tạo ra nhiệt thừa có thể gây phiền nhiễu cho người dùng, thậm chí có thể góp phần dẫn đến sự cố và trong một số trường hợp làm nổ pin lithium.

Hình ảnh cho thấy bốn lớp vật liệu dày cỡ nguyên tử đã hình thành một hinh thức chắn nhiệt, tương đương 1/50.000 tờ giấy. Nguồn: Viện nghiên cứu tiêu chuẩn và công nghệ quốc gia Mỹ

Để bảo vệ các thiết bị điện tử khỏi trường hợp này, các kỹ sư thường chèn kính, nhựa hoặc các lớp không khí như một tấm đệm để ngăn các thành phần sinh nhiệt như các bộ vi xử lý khỏi gây thảm họa hoặc khó chịu cho người dùng.

Hiện tại, các nhà nghiên cứu trường đại học Stanford đã cho thấy một số lớp của các vật liệu mỏng cỡ nguyên tử, xếp lớp như những tấm giấy đặt trên các điểm nóng có thể cách nhiệt tương tự như một tấm kính có độ dày gấp cả trăm lần. Trong tương lai gần, các tấm chắn nhiệt mỏng hơn sẽ cho phép các kỹ sư tạo ra các thiết bị điện tử còn nhỏ gọn hơn cả những thiết bị điện tử mà chúng ta có ngày nay Eric Pop, giáo sư kỹ thuật điện và tác giả chính của công bố mới xuất bản ngày 16/8 trên Science Advances.

“Chúng tôi đang xem xét vấn đề nhiệt trong các thiết bị điện tử theo một cách hoàn toàn mới”, Pop nói.

Dò âm thanh như dò nhiệt

Nhiệt lượng mà chúng ta cảm nhận được từ điện thoại thông minh hay máy tính xách tay thực ra là một hình thức không thể nghe được của âm thanh tần số cao. Nếu coi đây là điều điên rồi thì hãy xem xét đến vật lý cơ bản. Các dòng điện qua chạy qua các dây dẫn như một dòng các điện tích. Khi các điện tích chuyển động, chúng va chạm với các nguyên tử của vật chất này để đi qua. Với mỗi va chạm một điện tích là nguyên nhân khiến một nguyên tử rung lên, và các dòng điện chuyển động nhiều hơn thì các cuộc va chạm cũng xảy ra nhiều hơn, cho đến khi các hạt điện tích đánh bại các nguyên tử như những cái búa đập vào những cái chuông, ngoại trừ tạp âm của các dao động chuyển qua vật liệu sắn tại những tần số  vượt quá ngưỡng có thể nghe được, sinh ra năng lượng mà chúng ta cảm thấy như nhiệt.

Việc nghĩ về nhiệt như một hình thức của âm thanh đã truyền cảm hứng cho các nhà nghiên cứu Stanford để mượn một số nguyên tắc của thế giới vật lý. Từ những ngày làm việc như một DJ radio  tại KZSU 90.1 FM của Stanford, Pop biết là để các phòng thu âm hoàn toàn yên tĩnh, cần có lớp kính cửa sổ dày để ngăn tiếng ồn bên ngoài phòng. Một nguyên tắc tương tự được áp dụng như một tấm chắn nhiệt trong các thiết bị điện tử ngày nay. Họ có thể đơn giản là mượn nguyên tắc cách âm của các phòng thu và làm dày hơn tấm chắn nhiệt. Tuy nhiên cách này cũng có thể làm hỏng nỗ lực làm các thiết bị điện tử mỏng hơn. Giải pháp họ áp dụng là “mượn” từ các gia đình, vốn lắp nhiều lớp cửa, tạo ra nhiều lớp không khí giữa các tấm kính với độ dày khác nhau, để làm cho không gian bên trong ấm cúng và im ắng hơn.

“Chúng tôi áp dụng ý tưởng bằng việc tạo ra một vật cách nhiệt với nhiều lớp được làm từ vật liệu có độ mỏng cỡ nguyên tử thay vì bằng một lớp kính dày”, Sam Vaziri, một postdoc và tác giả chính của công bố, nói.

Vật liệu có độ dày nguyên tử là một khám phá còn tương đối mới. Chỉ mới 15 năm trước đây, các nhà khoa học đã có thể cô lập được một số vật liệu thành nhiều lớp mỏng, ví dụ như graphene, vốn là một đơn lớp nguyên tử carbon và kể từ khi được tìm thấy, các nhà khoa học đã trông chờ và thực nghiệm với các vật liệu đơn lớp như thế. Nhóm nghiên cứu Stanford đã sử dụng một lớp graphene và ba tấm vật liệu tương tự – mỗi tấm dày ba nguyên tử – để tạo ra một vật cách nhiệt gồm 4 lớp chỉ dày cỡ 10 nguyên tử. Bất chấp độ mỏng của mình, vật cách nhiệt này hết sức hiệu quả bởi các dao động nhiệt nguyên tử bị suy giảm và mất nhiều nhiệt lượng khi chúng chuyển dộng qua từng lớp một.

Để tạo ra các tấm cách nhiệt ở cấp độ nano thiết thực, các nhà nghiên cứu sẽ phải tìm một số kỹ thuật để có thể sản xuất hàng loạt bằng cách phun hoặc lắng các lớp vật liệu mỏng cỡ nguyên tử vào các bộ phận thiết bị điện tử trong suốt quá trình sản xuất. Nhưng đằng sau mục tiêu phát triển các chất cách nhiệt mỏng hơn còn lờ mờ hiện ra một tham vọng lớn hơn: các nhà khoa học hi vọng một ngày nào đó có thể kiểm soát được năng lượng dao động bên trong các vật liệu theo cách mà hiện nay họ đang kiểm soát điện năng và ánh sáng. Vì họ đan đến việc hiểu nhiệt lượng trong các vật thể rắn như một hình thức của âm thanh, một lĩnh vực mới của âm tử học (phononics) đang xuất hiện, một cái tên được đưa ra từ một từ có gốc rễ Hy Lạp đằng sau điện thoại (telephone), máy quay đĩa (phonograph) và âm học (phonetics).

“Là các kỹ sư, chúng tôi biết nhiều về cách kiểm soát dòng điện, và chúng tôi đang có hiểu biết tốt hơn về ánh sáng nhưng chúng tôi mới chỉ bắt đầu biết đôi chút về cách điều khiển âm thanh tần số cao mà các biểu hiện tự bản thân nó như nhiệt lượng ở cấp độ nguyên tử”, Pop nói.

Phương Thanh dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2019-08-shield-atoms-thick-electronic-devices.html