Tấm chắn nhiệt cỡ nguyên tử để bảo vệ thiết bị điện tử

Các nhà khoa học tại trường Đại học Stanford đã nghiên cứu một loại vật liệu mỏng cỡ nguyên tử, khi xếp chồng như những tấm giấy đặt trên các điểm nóng sẽ có thể cách nhiệt tương tự như một tấm kính có độ dày gấp cả trăm lần.

Hình trên cho thấy bốn lớp vật liệu dày cỡ nguyên tử hình thành nên một “rào chắn nhiệt” có độ mỏng tương đương 20 phần triệu của 1 tờ giấy.

Lượng nhiệt dư thừa khi chạy máy tính xách tay, điện thoại thông minh và các thiết bị điện tử khác có thể gây khó chịu, ngoài ra còn góp phần làm hỏng hóc và trong trường hợp cực đoan thậm chí có thể khiến pin lithium phát nổ. Để tránh những sự cố đó, các kỹ sư thường chèn thêm các lớp kính, nhựa hoặc cả các lớp không khí như một tấm đệm ngăn ngừa các linh kiện sinh nhiệt (vd. những bộ vi xử lý) khỏi gây hư hỏng hoặc khó chịu cho người dùng.

Vừa qua, các nhà khoa học tại trường đại học Stanford đã trình diễn một loại vật liệu mỏng cỡ nguyên tử, khi xếp chồng như những tấm giấy đặt trên các điểm nóng sẽ có thể cách nhiệt ngang bằng một tấm kính có độ dày gấp trăm lần. Trong tương lai gần, các giáp chắn nhiệt mỏng hơn sẽ cho phép các kỹ sư tạo ra các thiết bị điện tử còn nhỏ gọn hơn những thứ ta đang có ngày nay, theo Eric Pop, giáo sư kỹ thuật điện và tác giả chính của bài báo mới công bố ngày 16/8/2019 trên tạp chí Science Advances.

GS Eric Pop nói: “Chúng tôi đang xem xét nhiệt trong các thiết bị điện tử theo một cách hoàn toàn mới”.

Dò âm thanh như nhiệt

Nhiệt lượng mà chúng ta cảm nhận được từ điện thoại thông minh hay máy tính xách tay thực ra là một dạng thức không nghe thấy được của âm thanh tần số cao. Nếu nó có vẻ điên rồ thì hãy xem xét về mặt vật lý cơ bản. Các dòng điện chạy qua các dây dẫn như một dòng điện tử. Khi các điện tử chuyển động, chúng va chạm với các nguyên tử của vật chất trong dây dẫn. Mỗi va chạm của một điện tử là nguyên nhân khiến một nguyên tử rung lên, và khi các dòng điện chảy mạnh hơn thì các va chạm cũng xảy ra nhiều hơn, cho đến khi các điện tử đánh vào các nguyên tử cản đường như từng ấy cái búa đập vào từng ấy cái chuông, trừ việc mớ âm hỗn tạp (cacophony) ấy của các rung động dịch chuyển qua vật liệu rắn lại có những tần số quá cao hơn ngưỡng nghe thấy và sinh ra năng lượng mà chúng ta cảm thấy như nhiệt.

Việc nghĩ về nhiệt như một dạng thức của âm thanh đã gây cảm hứng cho các nhà nghiên cứu ở ĐH Stanford vay mượn một số nguyên lý từ thế giới vật lý. Từ những ngày làm việc như một DJ radio tại trạm phát thanh KZSU 90.1 FM của Stanford, ông Pop đã biết rằng các phòng thu âm hoàn toàn yên tĩnh là nhờ có các cửa kính dày ngăn tiếng ồn bên ngoài. Một nguyên lý tương tự cũng được áp dụng vào giáp chắn nhiệt trong ngành điện tử ngày nay. Nếu cách nhiệt tốt hơn là điều quan tâm duy nhất của các nhà nghiên cứu, họ có thể chỉ đơn giản vay mượn nguyên lý cách âm của các phòng thu và chọn dùng giáp chắn nhiệt dày hơn. Nhưng cách này cũng làm hỏng mong muốn thu nhỏ hơn kích cỡ các thiết bị điện tử. Giải pháp của họ là vay mượn nguyên lý cửa sổ nhiều tấm kính để tạo ra nhiều lớp không khí với độ dày khác nhau ở giữa, làm cho không gian bên trong nhà ấm cúng và yên tĩnh hơn.

“Chúng tôi đã thích ứng ý tưởng đó bằng cách tạo ra một giáp chắn nhiệt sử dụng nhiều lớp vật liệu mỏng cỡ nguyên tử thay vì một tấm kính dày”, học giả sau tiến sĩ Sam Vaziri, tác giả chính của bài báo cho biết.

Vật liệu có độ dày cỡ nguyên tử là một phát minh tương đối mới mẻ. Chỉ mới 15 năm trước đây thôi, các nhà khoa học mới có thể cô lập được một số vật liệu thành những lớp mỏng như vậy. Ví dụ đầu tiên là graphene, một lớp mỏng nguyên tử carbon và kể từ khi nó được phát minh, các nhà khoa học đã trông đợi và thí nghiệm với các vật liệu lớp mỏng khác. Nhóm nghiên cứu ở ĐH Stanford đã sử dụng một lớp graphene và ba tấm vật liệu mỏng khác - mỗi tấm dày ba nguyên tử - để tạo ra một giáp chắn nhiệt gồm 4 lớp chỉ dày cỡ 10 nguyên tử. Mặc dù mỏng như vậy, giáp chắn nhiệt rất hiệu quả bởi các rung động nhiệt nguyên tử bị suy giảm và mất nhiều năng lượng khi chúng di chuyển qua từng lớp.

Để tạo ra các giáp chắn nhiệt ở cấp độ nano mét trong thực tiễn, nhóm nghiên cứu sẽ phải tìm một số kỹ thuật sản xuất hàng loạt cho phép phun phủ hoặc ngưng đọng các lớp vật liệu mỏng cỡ nguyên tử vào thẳng các linh kiện điện tử trong quá trình sản xuất. Nhưng đằng sau mục tiêu phát triển các chất cách nhiệt mỏng hơn đã lộ ra một tham vọng lớn hơn: nhóm khoa học hy vọng một ngày nào đó sẽ có thể điều khiển được năng lượng rung động bên trong các vật liệu theo cách mà hiện nay họ đang điều khiển điện và ánh sáng. Vì họ đã đến chỗ hiểu nhiệt trong các vật thể rắn như một dạng thức của âm thanh, một lĩnh vực mới đang xuất hiện với cái tên tạm gọi là âm tử học (phononics) được phối ghép từ những thuật ngữ có cội nguồn tiếng Hy Lạp như điện thoại (telephone), máy quay đĩa (phonograph) và ngữ âm học (phonetics).

“Là những kỹ sư, chúng tôi biết nhiều về cách điều khiển điện, và chúng tôi đang làm tốt hơn với ánh sáng nhưng chúng tôi mới chỉ bắt đầu hiểu về cách điều khiển âm thanh cao tần tự biểu hiện giống như nhiệt ở cấp độ nguyên tử”, ông Pop nói.

Theo Khoahocphatrien