Un “bouclier thermique” 50 000 fois plus mince qu’une feuille de papier pour éviter la surchauffe de vos futurs portables

Selon une nouvelle étude, des matériaux atomiquement minces (Atomically thin material) pourraient créer des boucliers thermiques pour les téléphones ou les ordinateurs portables qui protégeraient les personnes et les composants sensibles à la température et rendraient encore plus compacts les futurs gadgets électroniques.

Les téléphones intelligents, les ordinateurs portables et autres appareils électroniques dégagent un excès de chaleur qui peut contribuer à des dysfonctionnements et, dans des cas extrêmes, provoquer l’explosion des piles au lithium.

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

Récemment, des chercheurs ont montré que quelques couches de matériaux atomiquement minces, empilées comme des feuilles de papier sur des points chauds, peuvent 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 d’aujourd’hui, affirme Eric Pop, professeur de génie électrique à l’université Stanford (États-Unis) et auteur principal d’une nouvelle étude (lien plus bas).

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 un peu fou, pensez à la physique sous-jacente. L’électricité circule à travers les fils sous forme d’un flux d’électrons. Lorsque ces électrons se déplacent, ils entrent en collision avec les atomes des matériaux qu’ils traversent.

À chaque collision de ce genre, un électron fait vibrer un atome, et plus le courant circule, plus il y a de collisions, jusqu’à ce que les électrons frappent les atomes comme autant de marteaux sur autant de cloches, sauf que cette cacophonie de vibrations se déplace à travers la matière solide à des fréquences bien au-dessus du seuil de l’audition, produisant une énergie qui nous semble être de la chaleur.

Le fait de considérer la chaleur comme une forme de son a incité les chercheurs à emprunter certains principes du monde physique. Dj dans sa jeunesse, Eric Pop savait que les studios d’enregistrement de musique sont silencieux grâce à d’épaisses fenêtres vitrées 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 les barrières thermiques. Mais cela irait à l’encontre des efforts visant à rendre l’électronique plus fine.

Leur solution fut d’emprunter une astuce aux propriétaires, qui installent des fenêtres à carreaux multiples, généralement des couches d’air entre des feuilles de verre d’épaisseur variable, pour rendre leur intérieur plus chaud et plus silencieux.

Selon Sam Vaziri, chercheur et auteur principal de l’étude :

Nous avons adapté cette idée en créant un isolant qui utilisait plusieurs couches de matériaux atomiquement minces au lieu d’une épaisse masse de verre.

Les matériaux atomiquement minces sont une découverte relativement récente. Ce n’est qu’il y a 15 ans que les scientifiques ont isolé pour la première fois certains matériaux en couches aussi minces. Le graphène, une seule couche d’atomes de carbone, a été le premier exemple que les scientifiques ont découvert et, depuis, ils ont cherché et expérimenté d’autres matériaux en feuille/ couche.

Pour la nouvelle étude, les chercheurs ont utilisé une couche de graphène et trois autres matériaux en feuille, chacun ayant trois atomes d’épaisseur, pour créer un isolant à quatre couches de seulement 10 atomes de profondeur. Malgré sa faible épaisseur, l’isolant est efficace car les vibrations thermiques atomiques sont amorties et perdent une grande partie de leur énergie au passage de chaque couche.

Pour rendre pratiques les boucliers thermiques à l’échelle nanométrique, les chercheurs devront trouver une technique pour pulvériser ou autrement déposer des couches minces d’atomes de matériaux sur les composants électroniques pendant la fabrication.

Mais derrière l’objectif immédiat de développer des isolateurs plus fins se cache une ambition plus grande : Les scientifiques espèrent contrôler un jour l’énergie vibratoire à l’intérieur des matériaux comme ils contrôlent maintenant l’électricité et la lumière. Au fur et à mesure qu’ils comprennent que la chaleur dans les objets solides est une forme de son, un nouveau domaine de la “phononique” (phononics) émerge, un nom dérivé de la racine grecque à l’origine du mot téléphone, du phonographe et de la phonétique.

Selon Pop :

En tant qu’ingénieurs, nous en savons beaucoup sur le contrôle de l’électricité et nous nous améliorons avec la lumière, mais nous commençons à peine à comprendre comment manipuler le son à haute fréquence qui se manifeste sous forme de chaleur à l’échelle atomique.

L’étude publiée dans Science Advances : Ultrahigh thermal isolation across heterogeneously layered two-dimensional materials et présentée sur le site de l’université Stanford : Stanford researchers build a heat shield just 10 atoms thick to protect electronic devices.

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Source : GuruMeditation