L'excès de chaleur dégagé par les smartphones, les ordinateurs portables et autres appareils électroniques peuvent être ennuyeux, mais au-delà elle contribue aux dysfonctionnements et, dans des cas extrêmes, peut même faire exploser les piles au lithium.

Pour se prémunir de tels maux, les ingénieurs insèrent souvent du verre, plastique ou même des couches d'air comme isolant pour empêcher les composants générateurs de chaleur comme les microprocesseurs de causer des dommages ou de gêner les utilisateurs.

Maintenant, Des chercheurs de Stanford ont montré que quelques couches de matériaux atomiquement minces, empilés comme des feuilles de papier sur des points chauds, peut fournir la même isolation qu'une feuille de verre 100 fois plus épaisse. À court terme, des boucliers thermiques plus minces permettront aux ingénieurs de rendre les appareils électroniques encore plus compacts que ceux que nous avons aujourd'hui, dit Eric Pop, professeur de génie électrique et auteur principal d'un article publié le 16 août dans Avancées scientifiques .

« Nous examinons la chaleur dans les appareils électroniques d'une toute nouvelle manière, " dit Pop.

Détecter le son sous forme de chaleur

La chaleur que nous ressentons des smartphones ou des ordinateurs portables est en fait une forme inaudible de son à haute fréquence. Si cela semble fou, considérer la physique sous-jacente. L'électricité circule à travers les fils comme un flux d'électrons. Lorsque ces électrons se déplacent, ils entrent en collision avec les atomes des matériaux qu'ils traversent. A chaque collision, un électron fait vibrer un atome, et plus le courant passe, plus il y a de collisions, jusqu'à ce que les électrons battent sur les atomes comme autant de marteaux sur autant de cloches - sauf que cette cacophonie de vibrations se déplace à travers le matériau solide à des fréquences bien au-dessus du seuil de l'audition, générant de l'énergie que nous ressentons comme de la chaleur.

Considérer la chaleur comme une forme de son a inspiré les chercheurs de Stanford à emprunter certains principes au monde physique. De ses jours en tant que DJ radio au KZSU 90.1 FM de Stanford, Pop savait que les studios d'enregistrement de musique sont silencieux grâce aux vitres épaisses qui bloquent le son extérieur. Un principe similaire s'applique aux boucliers thermiques dans l'électronique d'aujourd'hui. Si une meilleure isolation était leur seule préoccupation, les chercheurs pourraient simplement emprunter le principe du studio de musique et épaissir leurs barrières thermiques. Mais cela contrecarrerait les efforts visant à rendre l'électronique plus mince. Leur solution était d'emprunter une astuce aux propriétaires, qui installent des fenêtres à plusieurs volets—généralement, couches d'air entre les feuilles de verre d'épaisseur variable pour rendre les intérieurs plus chauds et plus silencieux.

"Nous avons adapté cette idée en créant un isolant qui utilisait plusieurs couches de matériaux atomiquement minces au lieu d'une masse épaisse de verre, " a déclaré le chercheur postdoctoral Sam Vaziri, l'auteur principal de l'article.

Les matériaux atomiquement minces sont une découverte relativement récente. Il y a seulement 15 ans, les scientifiques étaient capables d'isoler certains matériaux dans des couches aussi minces. Le premier exemple découvert était le graphène, qui est une seule couche d'atomes de carbone et, depuis qu'il a été trouvé, les scientifiques ont cherché, et en expérimentant, d'autres matériaux en forme de feuille. L'équipe de Stanford a utilisé une couche de graphène et trois autres matériaux en forme de feuille, chacun de trois atomes d'épaisseur, pour créer un isolant à quatre couches de seulement 10 atomes de profondeur. Malgré sa minceur, l'isolant est efficace car les vibrations de la chaleur atomique sont amorties et perdent une grande partie de leur énergie lorsqu'elles traversent chaque couche.

Pour rendre pratiques les boucliers thermiques à l'échelle nanométrique, les chercheurs devront trouver une technique de production de masse pour pulvériser ou déposer des couches de matériaux très fines sur les composants électroniques pendant la fabrication. Mais derrière l'objectif immédiat de développer des isolants plus minces se profile une ambition plus grande :les scientifiques espèrent un jour contrôler l'énergie vibratoire à l'intérieur des matériaux de la même manière qu'ils contrôlent maintenant l'électricité et la lumière. Lorsqu'ils en viennent à comprendre la chaleur des objets solides comme une forme de son, un nouveau domaine de la phononique est en train d'émerger, un nom tiré de la racine grecque du mot téléphone, phonographe et phonétique.

« En tant qu'ingénieurs, nous savons beaucoup de choses sur la façon de contrôler l'électricité, et nous nous améliorons avec la lumière, mais nous commençons tout juste à comprendre comment manipuler le son à haute fréquence qui se manifeste sous forme de chaleur à l'échelle atomique, " dit Pop.