Neobičan materijal raspršuje i blokira toplinu po želji

Slažući ultra tanke slojeve kristalnih listova jedan na drugi, pritom lagano rotirajući svaki sloj, istraživači su stvorili materijal s atomima koji su poravnati u jednom smjeru, ali ne i u drugom

Sve aktivnosti stvaraju toplinu jer energija bježi iz svega što radimo, a otpadnu toplinu moramo odvesti s baterija i elektroničkih komponenti kako im se ne bi degradirale performanse, odnosno kako im se ne bi skratio radni vijek. Znanstvenici sa Sveučilišta u Chicagu otkrili su novi način provođenja topline na mikroskopskoj razini: toplinski izolator izrađen inovativnom tehnikom.

Neobična sposobnost

“Zamislite djelomično dovršenu Rubikovu kocku, čiji su slojevi rotirani u slučajnim smjerovima”, objašnjava Shi En Kim, apsolventica na Pritzkerovoj školi molekularnog inženjeringa. “To znači da unutar svakog sloja kristala još uvijek imamo uređenu rešetku atoma, ali ako se pomaknete na susjedni sloj, nemate pojma gdje će sljedeći atomi biti u odnosu na prethodni sloj.”

Zakretajući slojeve istraživači su stvorili materijal s atomima koji su poravnati u jednom, ali ne i u drugom smjeru
Zakretajući slojeve istraživači su stvorili materijal s atomima koji su poravnati u jednom, ali ne i u drugom smjeru

Rezultat je materijal koji izuzetno dobro provodi toplinu i raspršuje je u različitim smjerovima. Riječ je o neobičnoj sposobnosti u mikro razmjerima, koja bi mogla pronaći vrlo korisne primjene u elektronici i drugoj tehnologiji.


“Kombinacija izvrsne toplinske vodljivosti u jednom smjeru i izvrsne izolacije u drugom smjeru uopće ne postoji u prirodi”, kaže Jiwoong Park, profesor kemije i molekularnog inženjerstva na Sveučilištu u Chicagu. “Nadamo se da bi ovo moglo otvoriti potpuno novi smjer za izradu novih materijala.”


Nevjerojatno niska toplinska vodljivost

Znanstvenici su stalno u potrazi za materijalima neobičnih svojstava koji bi mogli otključati potpuno nove mogućnosti elektronskih uređaja, senzora, medicinske tehnologije ili solarnih ćelija. Na primjer, MRI strojevi omogućeni su otkrićem materijala koji savršeno provodi električnu struju.

Shi En Kim i Jiwoong Park
Shi En Kim i Jiwoong Park

Park je istraživao načine za izradu izuzetno tankih slojeva materijala, debelih samo nekoliko atoma. Uobičajeno, materijali koji se koriste za uređaje sastoje se od iznimno pravilnih, ponavljajućih rešetki atoma, što olakšava kretanje električne energije (i topline) kroz materijal. No, istraživači su se pitali što bi se dogodilo kad bi prilikom slaganja lagano zakrenuli svaki uzastopni sloj.

Izmjerili su rezultate i otkrili da je mikroskopska stijenka izrađena od ovog materijala izuzetno dobra u sprečavanju kretanja topline između odjeljaka. 

Nova metoda omogućuje izradu i slaganje pojedinačnih tankih slojeva materijala, visokih samo nekoliko atoma
Nova metoda omogućuje izradu i slaganje pojedinačnih tankih slojeva materijala, visokih samo nekoliko atoma

“Toplinska vodljivost je nevjerojatno niska, poput zraka, koji je i dalje jedan od najboljih poznatih izolatora”, kaže Park. “To je samo po sebi iznenađujuće, jer je vrlo neobično pronaći to svojstvo u materijalu koji je gusta čvrsta tvar; oni su obično dobri vodiči topline.”

I provodnik i izolator

Istraživače je iznenadilo kad su otkrili da takav materijal lako prenosi toplinu duž zida. Ta dva svojstva u kombinaciji mogu biti vrlo korisna. Na primjer, sve manji računalni čipovi rezultiraju sve većom snagom koja prolazi kroz mali prostor, stvarajući okruženje s velikom “gustoćom energije” – opasnom žarišnom točkom.

Shema slojeva r-MoS2 s nasumičnom orijentacijom kristala
Shema slojeva r-MoS2 s nasumičnom orijentacijom kristala

“U osnovi, elektronički uređaji peku se kao da ih stavljate u mikrovalnu pećnicu”, kaže Kim. “Ali ako možemo upotrijebiti materijal koji može istodobno provoditi toplinu i izolirati toplinu u različitim smjerovima, mogli bismo odvoditi toplinu daleko od izvora topline, poput baterije, izbjegavajući osjetljive dijelove uređaja.”


Istraživači su zasad testirali ​nanošenje slojeva u molibden-disulfidu, ali smatraju da bi ovaj mehanizam mogao vrijediti i za mnoge druge materijale, što bi pak potaknulo proizvodnju raznih egzotičnih vodiča topline.

Slojevi materijala pod mikroskopom
Slojevi materijala pod mikroskopom

Ekstremne toplinske gradijente – gdje je nešto jako vruće s jedne i hladno s druge strane – nije lako izvesti, osobito u tako malim mjerama, ali bi moglo imati mnogo primjena u tehnologiji. To bi, objašnjava Park, moglo djelovati poput prozorskog stakla koje efikasno razdvaja vanjsku i unutarnju toplinu stana.