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研究人员构建了一个厚度仅为10个原子的隔热罩 以保护电子设备

智能手机,笔记本电脑和其他电子设备发出的过多热量可能令人讨厌,但除此之外,它还会导致故障,并且在极端情况下,甚至会导致锂电池爆炸。

为了防止此类弊病,工程师经常插入玻璃,塑料或甚至多层空气作为绝缘材料,以防止像微处理器这样的发热部件造成损坏或使用户感到不适。

现在,斯坦福大学的研究人员已经证明,几层原子薄的材料,像热点上的纸张一样堆叠,可以提供与100倍厚的玻璃板相同的绝缘。8月16日发表在“ 科学进展”杂志上的一篇论文的高级作者埃里克波普说,在短期内,更薄的隔热罩将使工程师能够使电子设备比我们现在更加紧凑。

“我们正以全新的方式看待电子设备中的热量,”Pop说。

将声音检测为热量

我们从智能手机或笔记本电脑感受到的热量实际上是一种听不见的高频声音形式。如果这看起来很疯狂,请考虑基础物理。电流作为电子流流过电线。当这些电子移动时,它们会与它们通过的材料的原子碰撞。随着每次这样的碰撞,电子会使原子振动,电流越多,发生的碰撞就越多,直到电子像原子上那么多的锤子一样敲打原子 - 除了这种嘈杂的振动穿过固体材料时频率远高于听觉阈值,产生我们感觉为热量的能量。

将热量作为一种声音形式的思考激发了斯坦福大学研究人员从物理世界借鉴一些原理。从他作为斯坦福大学KZSU 90.1 FM电台DJ的日子开始,Pop知道音乐录音室很安静,这要归功于厚厚的玻璃窗阻挡外部声音。类似的原理适用于当今电子产品中的隔热罩。如果他们唯一关心的是更好的绝缘,研究人员可以简单地借用音乐工作室的原则并加厚他们的热障。但这会使电子产品变薄的努力受挫。他们的解决方案是借用房主的伎俩,他们安装了多层窗户 - 通常是不同厚度的玻璃板之间的空气层 - 使内部更温暖,更安静。

“我们通过创造一种使用多层原子薄材料而不是厚玻璃质量的绝缘体来改变这一想法,”该论文的第一作者,博士后学者Sam Vaziri说。

原子薄材料是一个相对较新的发现。仅仅15年前,科学家才能将一些材料分离成这么薄的层。发现的第一个例子是石墨烯,它是单层碳原子,自从它被发现以来,科学家一直在寻找和试验其他片状材料。斯坦福大学的团队使用了一层石墨烯和另外三种片状材料 - 每三个原子厚 - 形成一个只有10个原子深的四层绝缘体。尽管绝缘体很薄,但绝缘体是有效的,因为原子热振动会在它们穿过每一层时受到抑制并损失大部分能量。

为了使纳米级隔热罩变得切实可行,研究人员必须找到一些批量生产技术,以便在制造过程中将原子薄层材料喷涂或沉积到电子元件上。但是,开发更薄的绝缘体的近期目标背后隐藏着更大的抱负:科学家希望有朝一日能够控制材料内部的振动能量,就像他们现在控制电力和光线一样。随着他们逐渐认识到固体物体中的热量作为一种声音形式,一种新的声学领域正在出现,这个名字取自电话,留声机和语音学背后的希腊词根。

“作为工程师,我们对如何控制电力有了很多了解,而且我们对光线的处理越来越好,但我们才刚刚开始理解如何操纵在原子尺度上表现为热量的高频声音, “波普说。

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