Déplacer la chaleur là où vous voulez qu'elle aille - en l'ajoutant aux maisons et aux sèche-cheveux, le retirer des moteurs de voitures et des réfrigérateurs est l'un des grands défis de l'ingénierie.

Toute activité génère de la chaleur, parce que l'énergie s'échappe de tout ce que nous faisons. Mais trop peut user les batteries et les composants électroniques, comme les pièces d'un ordinateur portable vieillissant qui chauffe trop pour s'asseoir sur vos genoux. Si vous ne pouvez pas vous débarrasser de la chaleur, vous avez un problème.

Des scientifiques de l'Université de Chicago ont inventé une nouvelle façon de canaliser la chaleur au niveau microscopique :un isolant thermique fabriqué à l'aide d'une technique innovante. Ils empilent des couches ultrafines de feuilles cristallines les unes sur les autres, mais faites légèrement pivoter chaque couche, créer un matériau avec des atomes alignés dans un sens mais pas dans l'autre.

"Pensez à un Rubik's cube partiellement fini, avec des couches toutes tournées dans des directions aléatoires, " a déclaré Shi En Kim, un étudiant diplômé de la Pritzker School of Molecular Engineering qui est le premier auteur de l'étude. "Ce que cela signifie, c'est que dans chaque couche du cristal, nous avons toujours un réseau ordonné d'atomes, mais si vous passez à la couche voisine, vous n'avez aucune idée de l'endroit où les prochains atomes seront par rapport à la couche précédente - les atomes sont complètement désordonnés dans cette direction. "

Le résultat est un matériau extrêmement efficace à la fois pour contenir la chaleur et la déplacer, bien que dans des directions différentes - une capacité inhabituelle à l'échelle microscopique, et un qui pourrait avoir des applications très utiles dans l'électronique et d'autres technologies.

"La combinaison d'une excellente conductivité thermique dans un sens et d'une excellente isolation dans l'autre sens n'existe pas du tout dans la nature, " a déclaré Jiwoong Park, auteur principal de l'étude, professeur de chimie et de génie moléculaire à l'Université de Chicago. "Nous espérons que cela pourrait ouvrir une toute nouvelle direction pour la fabrication de nouveaux matériaux."

Les scientifiques sont constamment à la recherche de matériaux aux propriétés inhabituelles, car ils peuvent débloquer des capacités complètement nouvelles pour des appareils tels que l'électronique, capteurs, technologie médicale ou cellules solaires. Par exemple, Les appareils d'IRM ont été rendus possibles grâce à la découverte d'un matériau étrange qui peut parfaitement conduire l'électricité.

Le groupe de Park avait étudié des moyens de fabriquer des couches de matériaux extrêmement minces, qui n'ont que quelques atomes d'épaisseur. Normalement, les matériaux utilisés pour les appareils sont constitués de matériaux extrêmement réguliers, répétition des réseaux d'atomes, ce qui permet à l'électricité (et à la chaleur) de se déplacer très facilement à travers le matériau. Mais les scientifiques se sont demandé ce qui se passerait s'ils faisaient légèrement pivoter chaque couche successive au fur et à mesure qu'ils les empilaient.

Ils ont mesuré les résultats et ont découvert qu'une paroi microscopique faite de ce matériau était extrêmement efficace pour empêcher la chaleur de se déplacer entre les compartiments. "La conductivité thermique est tout simplement étonnamment faible - aussi faible que l'air, qui reste l'un des meilleurs isolants que l'on connaisse, " dit Park. " C'est en soi surprenant, car il est très inhabituel de trouver cette propriété dans un matériau qui est un solide dense - ceux-ci ont tendance à être de bons conducteurs de chaleur. "

Mais le point qui était vraiment excitant pour les scientifiques était quand ils ont mesuré la capacité du matériau à transporter la chaleur le long du mur, et j'ai découvert qu'il pouvait le faire très facilement.

Ces deux propriétés combinées pourraient être très utiles. Par exemple, rendre les puces informatiques de plus en plus petites entraîne de plus en plus de puissance dans un petit espace, créer un environnement avec une "densité de puissance" élevée - un point chaud dangereux, dit Kim.

"En gros, vous faites cuire vos appareils électroniques à des niveaux de puissance comme si vous les mettiez dans un four à micro-ondes, " dit-elle. " L'un des plus grands défis de l'électronique est de prendre en charge la chaleur à cette échelle, car certains composants de l'électronique sont très instables à haute température.

"Mais si nous pouvons utiliser un matériau qui peut à la fois conduire la chaleur et isoler la chaleur dans des directions différentes, nous pouvons siphonner la chaleur de la source de chaleur, comme la batterie, tout en évitant les parties les plus fragiles de l'appareil."

Cette capacité pourrait ouvrir la porte à l'expérimentation de matériaux trop sensibles à la chaleur pour que les ingénieurs puissent les utiliser en électronique. En outre, créer un gradient thermique extrême - où quelque chose est très chaud d'un côté et froid de l'autre - est difficile à faire, surtout à si petite échelle, mais pourrait avoir de nombreuses applications technologiques.

« Si vous pensez à ce que la vitre a fait pour nous - être capable de séparer les températures extérieure et intérieure - vous pouvez avoir une idée de l'utilité que cela pourrait être, " dit Park.

Les scientifiques n'ont testé leur technique de stratification que dans un seul matériau, appelé bisulfure de molybdène, mais je pense que ce mécanisme devrait être général à beaucoup d'autres. "J'espère que cela ouvrira une toute nouvelle direction pour la fabrication de conducteurs thermiques exotiques, ", a déclaré Kim.