Un nuovo nano-isolante per smartphone ultracompatti

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Temperature eccessive e esposizione prolungata al caldo: la batteria dello smartphone può risentirne, fino in casi estremi (e rari) a esplodere. Oggi un gruppo di scienziati, coordinati dall’università di Stanford negli Stati Uniti, ha messo a punto un sottilissimo scudo, fatto di soli 10 atomi, che potrà servire in futuro per proteggere dal calore smartphone e altri dispositivi elettronici. Questo cappotto finissimo, composto in buona parte da grafene, inoltre, potrebbe rendere questi dispositivi ancora più compatti, dato che oggi invece si utilizzano strati protettivi in plastica o in vetro, più spessi. Il risultato è stato pubblicato su Science Advances.

Da circa 15 anni gli scienziati sono in grado di isolare in strati molto sottili alcuni materiali. Fra questi c’è il grafene, che appare come un tappeto monoatomico di atomi di carbonio e che oggi trova numerosissime applicazioni, molte nell’ambito delle tecnologie applicate agli smartphone. In particolare, oggi lastre finissime (50mila volte più sottili dello spessore di un foglio di carta) di particolari materiali possono proteggere dal calore e fornire lo stesso isolamento di lastre di vetro 100 volte più spesse.

Il progetto

A partire da questa considerazione, gli autori hanno costruito uno di questi finissimi fogli isolanti per creare uno scudo ancora più compatto e comodo per i dispositivi elettronici. “Abbiamo immaginato il riscaldamento nei dispositivi in un modo completamente nuovo”, ha aggiunto Eric Pop, docente di ingegneria elettrica e coautore dello studio. In effetti, gli autori hanno pensato e descritto il calore che riscalda una batteria in maniera piuttosto insolita, assimilandolo a particolari suoni.

Il calore che percepiamo, emesso da una batteria di un cellulare o di un pc portatile, infatti, è in realtà una forma di suono (non udibile) ad alte frequenza. In generale, l’elettricità fluisce nei fili del dispositivo come una corrente di elettroni, che si scontrano con gli atomi del materiale in cui passano. L’idea, spiegano gli autori, sostenuta dalle teorie fisiche, è che ogni volta che avviene una collisione fra gli elettroni e gli atomi si produce una vibrazione, sonora anche se non udibile.

Questi suoni sono impercettibili all’orecchio umano, dato che appunto avvengono a livello atomico e sono rappresentazione di un fenomeno quantistico. Le vibrazioni, infatti, sono descritte e quantificate perfettamente da particolari particelle quantistiche, dette fononi, che sono i quanti del suono – un po’ come i fotoni, associati alle onde elettromagnetiche, rappresentano i quanti di luce. Da qualche tempo, più di una ricerca ha comparato la trasmissione del calore all’interno dei materiali ad una forma di suono e per questo sta emergendo una nuova branca di studio, detta fononica.

Partendo da questo presupposto, gli autori si sono chiesti come si fa a bloccare queste vibrazioni  e di fatto il riscaldamento del dispositivo. Pensando al suono classico, in uno studio di registrazione musicale, per isolare le pareti si usano spesso vetri multipli di vario spessore inframmezzati con strati d’aria. “Abbiamo adattato questa idea realizzando, al posto di una spessa massa di vetro, un isolante basato su diversi strati [10 atomi in tutto ndr] di sottili materiali atomici”, ha sottolineato Sam Vaziri, che ha coordinato lo studio.

Per farlo, gli scienziati hanno utilizzato il grafene, uno dei principali protagonisti nell’ambito della scienza dei materiali. Il gruppo, infatti, ha utilizzato un foglio di grafene (composto da singoli di carbonio) e tre altri materiali tutti composti da foglietti molto sottili, ciascuno di tre atomi – sommando tutti gli strati in tutto si ottengono 10 atomi. Nonostante lo spessore ridotto, lo scudo è risultato isolante in maniera efficace dato che le vibrazioni atomiche dovute al calore vengono attenuate e perdono energia mentre passano fra i vari strati atomici. In pratica, è come se si fosse costruita una rete che blocca le vibrazioni, dunque il calore.

Oltre a poter essere utilizzati all’interno dei dispositivi per proteggere componenti particolarmente sensibili al calore, questi materiali potrebbero essere utili per aiutare gli scienziati a conoscere meglio questi suoni degli atomi. Gli autori, infatti, ambiscono a essere in grado, un giorno, di riuscire a controllare perfettamente le vibrazioni degli atomi come oggi si riesce a dominare la luce e l’elettricità.

via Wired.it