Các nhà khoa học tạo ra vật liệu kỳ lạ vừa có thể di chuyển vừa có thể chặn nhiệt

Vật liệu khác thường có thể cải thiện độ tin cậy của thiết bị điện tử và các thiết bị khác.

Di chuyển nhiệt xung quanh nơi bạn muốn — thêm nhiệt vào nhà và máy sấy tóc, loại bỏ nhiệt khỏi động cơ ô tô và tủ lạnh — là một trong những thách thức lớn của kỹ thuật.

Tất cả các hoạt động tạo ra nhiệt, bởi vì năng lượng thoát ra khỏi mọi thứ chúng ta làm. Tuy nhiên, quá nhiều có thể làm hao mòn pin và các linh kiện điện tử — chẳng hạn như các bộ phận trong một máy tính xách tay cũ và quá nóng để thực sự có thể ngồi vào lòng bạn. Nếu bạn không thể thoát khỏi nhiệt, bạn đã có một vấn đề.

Các nhà khoa học tại Đại học Chicago đã phát minh ra một phương pháp mới để truyền nhiệt xung quanh ở cấp độ vi mô: một chất cách nhiệt được tạo ra bằng một kỹ thuật tiên tiến. Chúng xếp chồng các lớp tinh thể siêu mỏng lên nhau, nhưng xoay từng lớp một chút, tạo ra một vật liệu với các nguyên tử được sắp xếp theo một hướng nhưng không theo hướng khác.

Shi En Kim, một sinh viên tốt nghiệp Trường Kỹ thuật Phân tử Pritzker, tác giả đầu tiên của nghiên cứu , cho biết: “Hãy nghĩ về một khối Rubik đã hoàn thiện một phần, với các lớp đều xoay theo các hướng ngẫu nhiên. “Điều đó có nghĩa là trong mỗi lớp của tinh thể, chúng ta vẫn có một mạng tinh thể có trật tự của các nguyên tử, nhưng nếu bạn di chuyển sang lớp lân cận, bạn sẽ không biết các nguyên tử tiếp theo sẽ ở đâu so với lớp trước – các nguyên tử là hoàn toàn lộn xộn dọc theo hướng này ”.

Kết quả là một vật liệu cực kỳ tốt trong cả việc chứa nhiệt và di chuyển nó, mặc dù theo các hướng khác nhau – một khả năng bất thường ở quy mô hiển vi và có thể có những ứng dụng rất hữu ích trong điện tử và công nghệ khác.

Tác giả chính của nghiên cứu Jiwoong Park, giáo sư hóa học và kỹ thuật phân tử tại Đại học Chicago cho biết: “Sự kết hợp giữa khả năng dẫn nhiệt tuyệt vời theo một hướng và cách nhiệt tuyệt vời theo hướng khác hoàn toàn không tồn tại trong tự nhiên. “Chúng tôi hy vọng điều này có thể mở ra một hướng hoàn toàn mới cho việc tạo ra các tài liệu mới.”

‘Chỉ thấp đến kinh ngạc’

Các nhà khoa học không ngừng tìm kiếm những vật liệu có đặc tính khác thường, vì chúng có thể mở khóa những khả năng hoàn toàn mới cho các thiết bị như điện tử, cảm biến, công nghệ y tế hay pin mặt trời. Ví dụ, máy MRI được tạo ra nhờ phát hiện ra một vật liệu lạ có thể dẫn điện một cách hoàn hảo.

Nhóm của Park đã nghiên cứu cách tạo ra các lớp vật liệu cực mỏng , chỉ dày vài nguyên tử. Thông thường, các vật liệu được sử dụng cho các thiết bị được tạo thành từ các mạng tinh thể cực kỳ đều đặn, lặp đi lặp lại của các nguyên tử, điều này làm cho điện (và nhiệt) di chuyển qua vật liệu rất dễ dàng. Nhưng các nhà khoa học tự hỏi điều gì sẽ xảy ra nếu thay vào đó, họ xoay từng lớp kế tiếp một chút khi xếp chồng chúng lên nhau.

“Nếu bạn nghĩ về những gì cửa sổ đã làm cho chúng ta — có thể giữ cho nhiệt độ bên ngoài và bên trong tách biệt — bạn có thể hiểu điều này có thể hữu ích như thế nào”.

– Giáo sư Jiwoong Park

Họ đã đo kết quả và phát hiện ra rằng một bức tường siêu nhỏ làm bằng vật liệu này có khả năng ngăn nhiệt cực tốt trong việc di chuyển giữa các ngăn. Park cho biết: “Hệ số dẫn nhiệt thấp đến mức đáng kinh ngạc – thấp như không khí, đây vẫn là một trong những chất cách nhiệt tốt nhất mà chúng tôi biết. “Bản thân điều đó thật đáng ngạc nhiên, bởi vì rất bất thường khi tìm thấy tính chất đó trong một vật liệu là một chất rắn dày đặc — những vật liệu đó có xu hướng dẫn nhiệt tốt.”

Nhưng điểm thực sự thú vị đối với các nhà khoa học là khi họ đo khả năng vận chuyển nhiệt dọc theo bức tường của vật liệu và nhận thấy rằng nó có thể làm điều đó rất dễ dàng.

Hai thuộc tính đó kết hợp với nhau có thể rất hữu ích. Chẳng hạn, việc sản xuất chip máy tính ngày càng nhỏ dẫn đến ngày càng nhiều điện năng chạy qua một không gian nhỏ, tạo ra một môi trường có “mật độ điện năng” cao — một điểm nóng nguy hiểm, Kim nói.

Cô nói: “Về cơ bản, bạn đang nướng các thiết bị điện tử của mình ở mức công suất như thể bạn đang đặt chúng trong lò vi sóng. “Một trong những thách thức lớn nhất trong lĩnh vực điện tử là quan tâm đến nhiệt ở quy mô đó, bởi vì một số thành phần của thiết bị điện tử rất không ổn định ở nhiệt độ cao.

“Nhưng nếu chúng ta có thể sử dụng một vật liệu có thể dẫn nhiệt và cách nhiệt đồng thời theo các hướng khác nhau, chúng ta có thể hút nhiệt ra khỏi nguồn nhiệt — chẳng hạn như pin — đồng thời tránh các bộ phận dễ vỡ hơn của thiết bị”.

Khả năng đó có thể mở ra cánh cửa để thử nghiệm với các vật liệu quá nhạy cảm với nhiệt để các kỹ sư sử dụng trong lĩnh vực điện tử. Ngoài ra, việc tạo ra một gradient nhiệt cực hạn – nơi một thứ rất nóng ở một bên và nguội ở bên kia – rất khó thực hiện, đặc biệt là ở quy mô nhỏ như vậy, nhưng có thể có nhiều ứng dụng trong công nghệ.

“Nếu bạn nghĩ về những gì mà ô cửa sổ đã làm cho chúng ta — có thể giữ cho nhiệt độ bên ngoài và bên trong tách biệt — bạn có thể hiểu điều này có thể hữu ích như thế nào,” Park nói.

Các nhà khoa học chỉ thử nghiệm kỹ thuật phân lớp của họ trong một vật liệu, được gọi là molypden disulfide, nhưng cho rằng cơ chế này nên phổ biến trên nhiều loại vật liệu khác. Kim nói: “Tôi hy vọng điều này sẽ mở ra một hướng hoàn toàn mới cho việc chế tạo các vật dẫn nhiệt kỳ lạ.

Tham khảo: “Dây dẫn nhiệt van der Waals cực kỳ dị hướng” của Shi En Kim, Fauzia Mujid, Akash Rai, Fredrik Eriksson, Joonki Suh, Preeti Poddar, Ariana Ray, Chibeom Park, Erik Fransson, Yu Zhong, David A. Muller, Paul Erhart , David G. Cahill và Jiwoong Park, 29 tháng 9 năm 2021, Nature.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03867-8

Nghiên cứu sử dụng Trung tâm Khoa học và Kỹ thuật Nghiên cứu Vật liệu của Đại học Chicago và Cơ sở Chế tạo Nano Pritzker.

Các đồng tác giả khác là sinh viên tốt nghiệp UChi Chicago Fauzia Mujid và Preeti Poddar; nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Chibeom Park (hiện đang làm việc tại Trung tâm Nghiên cứu Chất bán dẫn Điện tử Samsung), Joonki Suh (hiện tại UNIST) và Yu Zhong; cũng như David Cahill và Akash Rai với Đại học Illinois tại Urbana-Champaign, Paul Erhart, Fredrik Eriksson và Erik Fransson với Đại học Công nghệ Chalmers ở Thụy Điển, và David Muller và Ariana Ray với Đại học Cornell.

Tài trợ: Văn phòng Nghiên cứu Khoa học Không quân Hoa Kỳ, Quỹ Khoa học Quốc gia, Viện Công nghệ Tiên tiến Samsung, Camille và Quỹ Henry Dreyfus.

Theo Scitechdaily