Des torsions aléatoires entre les couches de feuilles cristallines bloquent la chaleur traversant les couches, mais maintiennent toujours un bon flux de chaleur le long des feuilles. Les chercheurs mesurent un facteur étonnant de 900 dans la différence de flux de chaleur. Crédit : Neuroncollective.com (Daniel Spacek, Pavel Jirak) / Université Chalmers
Un matériau inhabituel pourrait améliorer la fiabilité de l’électronique et d’autres appareils.
Déplacer la chaleur là où vous voulez qu’elle aille – l’ajouter aux maisons et aux sèche-cheveux, la retirer des moteurs de voiture et des réfrigérateurs – est l’un des grands défis de l’ingénierie.
Toute activité génère de la chaleur, car 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.
Les scientifiques du Université de Chicago ont inventé une nouvelle façon de canaliser la chaleur au niveau microscopique : un isolant thermique fabriqué selon une technique innovante. Ils empilent des couches ultrafines de feuilles cristallines les unes sur les autres, mais font légèrement pivoter chaque couche, créant 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 du étudier. “Ce que cela signifie, c’est que dans chaque couche du cristal, nous avons toujours un réseau ordonné d’atomes, mais si vous vous déplacez vers 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 désordonné dans cette direction.
Le résultat est un matériau extrêmement efficace à la fois pour contenir la chaleur et pour la déplacer, bien que dans des directions différentes – une capacité inhabituelle à l’échelle microscopique, et 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.”
“Juste incroyablement bas”
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, les capteurs, la technologie médicale ou les 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 enquêté façons de faire des couches extrêmement minces de matériaux, qui n’ont que quelques atomes d’épaisseur. Normalement, les matériaux utilisés pour les appareils sont constitués de réseaux d’atomes extrêmement réguliers et répétitifs, 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.
« 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 de cela. »
– Parc du professeur Jiwoong
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 incroyablement faible, aussi faible que l’air, qui est toujours l’un des meilleurs isolants que nous connaissions », a déclaré Park. « Cela en soi est 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 de le 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 une augmentation de la puissance dans un petit espace, créant un environnement avec une “densité de puissance” élevée – un point chaud dangereux, a déclaré 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”, a-t-elle déclaré. « L’un des plus grands défis de l’électronique est de gérer 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 différentes directions, 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. De plus, créer un gradient thermique extrême – où quelque chose est très chaud d’un côté et froid de l’autre – est difficile à faire, en particulier à de si petites échelles, 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”, a déclaré Park.
Les scientifiques n’ont testé leur technique de stratification que dans un seul matériau, appelé bisulfure de molybdène, mais pensent que ce mécanisme devrait être général à de nombreux autres. “J’espère que cela ouvrira une toute nouvelle direction pour la fabrication de conducteurs thermiques exotiques”, a déclaré Kim.
Référence : « Extremely anisotropic van der Waals Thermal Conductors » par Shi En Kim, Fauzia Mujid, Akash Rai, Fredrik Eriksson, Joonki Suh, Preeti Poddar, Ariana Ray, Chibeom Park, Erik Fransson, Yu Zhong, David A. Muller, Paul Erhart , David G. Cahill et Jiwoong Park, 29 septembre 2021, Nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-03867-8
La recherche a utilisé le Materials Research Science and Engineering Center de l’Université de Chicago et le Pritzker Nanofabrication Facility.
Les autres coauteurs étaient les étudiants diplômés de l’UCicago Fauzia Mujid et Preeti Poddar; les boursiers postdoctoraux Chibeom Park (maintenant au Samsung Electronics Semiconductor Research Center), Joonki Suh (maintenant à UNIST) et Yu Zhong; ainsi que David Cahill et Akash Rai avec l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, Paul Erhart, Fredrik Eriksson et Erik Fransson avec le Université de technologie Chalmers en Suède, et David Muller et Ariana Ray avec l’Université Cornell.
Financement : US Air Force Office of Scientific Research, National Science Foundation, Samsung Advanced Institute of Technology, Fondation Camille et Henry Dreyfus.