智能手机、笔记本电脑和其他电子设备释放出的过多热量可能会令人讨厌，但除此之外，它还会导致故障，在极端情况下，甚至会导致锂电池爆炸。
这张放大了很多的图片显示了四层原子厚度的材料，形成了一个只有2到3纳米厚的隔热层，大约是一张纸的5万倍。(图片来源:国家标准与技术研究院)
为了预防这些疾病，工程师们经常将玻璃、塑料甚至多层空气作为隔热材料，以防止微处理器等发热部件造成损害或令用户不安。
现在，斯坦福大学的研究人员已经证明，几层原子厚度的材料，像一张张纸一样叠放在热点上，可以提供和厚100倍的玻璃一样的隔热效果。电气工程教授、8月16日发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上的一篇论文的资深作者埃里克·波普(Eric Pop)表示，在短期内，更薄的隔热层将使工程师们能够使电子设备比我们今天的设备更紧凑。
波普说:“我们正以一种全新的方式看待电子设备中的热量。”
以热的形式探测声音
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。如果这听起来很疯狂，那么考虑一下基本的物理原理。电流以电子流的形式通过电线。当这些电子运动时，它们与所经过的材料的原子发生碰撞。碰撞等每一个电子使原子振动,和更多的电流,碰撞发生越多,直到电子原子像许多锤子上击败很多钟——除了这刺耳的振动穿过固体材料在听力频率远高于阈值,产生能量,我们感觉热。
将热视为声音的一种形式，激发了斯坦福大学研究人员从物理世界中借鉴一些原理。从他在斯坦福大学KZSU 90.1 FM做电台DJ的日子起，Pop就知道音乐录音棚很安静，因为厚厚的玻璃窗挡住了外面的声音。类似的原理也适用于今天电子产品的防热罩。如果更好的隔热是他们唯一关心的问题，研究人员可以简单地借用音乐工作室的原理，增加他们的热屏障。但这将阻碍使电子产品更薄的努力。他们的解决方案是从安装多窗格窗户的业主那里学来的一个小技巧，通常是在不同厚度的玻璃板之间安装一层空气，以使室内更暖和、更安静。
该论文的第一作者、博士后学者萨姆·瓦兹里(Sam Vaziri)说:“我们采用了这一想法，创造了一种绝缘体，它使用几层原子厚度的材料，而不是一层厚厚的玻璃。”
原子薄材料是一个相对较新的发现。直到15年前，科学家们才能够将一些材料分离到如此薄的层中。第一个被发现的例子是石墨烯，这是一种单层碳原子，自从发现以来，科学家们一直在寻找和实验其他片状材料。斯坦福大学的研究小组使用了一层石墨烯和另外三种类似薄片的材料——每层材料有三个原子厚——制成了只有10个原子深的四层绝缘体。尽管绝缘体很薄，但它是有效的，因为原子热振动被抑制了，当它们通过每一层时，会损失大部分能量。
为了使纳米隔热层切实可行，研究人员将不得不寻找一些大规模生产技术，在制造过程中向电子元件喷射或以其他方式沉积原子薄层材料。但在开发更薄的绝缘体这一近期目标的背后，隐藏着一个更大的野心:科学家们希望有一天能像现在控制电和光那样控制材料内部的振动能量。当他们把固体中的热理解为声音的一种形式时，一个新的声电子学领域正在出现，这个名字来源于电话、留声机和语音学后面的希腊语词根。
波普说:“作为工程师，我们知道很多关于如何控制电力的知识，我们对光的掌握也越来越好，但是我们才刚刚开始了解如何控制在原子尺度上表现为热的高频声音。”
Eric Pop是Precourt能源研究所的成员。斯坦福大学的作者包括前博士后Eilam Yalon和Miguel Munoz Rojo，以及研究生Connor McClellan, Connor Bailey, Kirby Smithe, Alexander Gabourie, Victoria Chen, Sanchit Deshmukh和Saurabh Suryavanshi。其他作者来自国际空间站研究中心和美国国家标准与技术研究院。
这项研究是由斯坦福大学的奈米制造设施,斯坦福大学纳米共享设施,美国国家科学基金会,半导体研究公司,国防高级研究计划局,美国空军科学研究办公室,斯坦福SystemX联盟,克努特和爱丽丝•瓦伦堡基金会斯坦福研究生奖学金计划以及国家标准与技术研究院。
要阅读有关斯坦福科学的所有故事，请订阅《斯坦福科学文摘》(Stanford science Digest)。
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://news.stanford.edu/2019/08/16/atomically-thin-heat-shield-protects-electronics/