わずか原子10個分の厚さしかない断熱材が開発される、電子機器の小型化に役立つ可能性

by seagul

スマートフォンやPCなどの電子機器にとって熱は大敵であり、直射日光に照らされたり機器そのものが発熱したりすると、デバイスが強制終了してしまうこともあります。そのため、多くのデバイスには自身を冷却する機構が組み込まれていますが、その分だけデバイスが大きくなってしまいます。そこでスタンフォード大学の研究者らは、厚さがわずか原子10個分しかない超薄型の断熱材を開発しました。

Ultrahigh thermal isolation across heterogeneously layered two-dimensional materials | Science Advances
https://advances.sciencemag.org/content/5/8/eaax1325

Atomically thin heat shield protects electronics | Stanford News
https://news.stanford.edu/2019/08/16/atomically-thin-heat-shield-protects-electronics/

This Genius 'Heat Shield' For Electronics Is Just 10 Atoms Thick And Uses Graphene
https://www.sciencealert.com/new-gadget-protecting-heat-shield-is-just-10-atoms-thick

熱からデバイスを守ることは非常に重要であり、電子機器の断熱材としてガラス、プラスチック、空気の層といったものが使われています。もしも断熱が上手く行かなければ誤動作を引き起こし、最悪の場合はバッテリーが爆発してしまうこともあります。しかし、断熱材を薄くすることができればデバイスそのものの小型化につながるため、スタンフォード大学の電気工学教授であるエリック・ポップ氏をはじめとして、多くの研究者が薄型の断熱材開発に挑んできました。

ポップ氏らの研究チームは2019年8月16日に学術誌のScience Advances上で発表した論文で、「厚さがわずか原子10個分しかない断熱材」が、100倍厚いガラスの層と同じ断熱効果を発揮すると報告しました。新たな断熱材を開発するにあたって、ポップ氏は「私たちは電子機器内の熱を全く新しい観点で捉えています」とコメント。研究チームは熱を「音」と同様のものとして考え、超薄型の断熱材を開発したと述べています。

電気が流れることで電子が移動するとさまざまな原子と衝突し、大量の電子と原子がぶつかった振動が熱として伝わります。しかし、この熱は人間が聞き取ることができないほどの超高周波音と捉えることもできるそうで、原理的に熱と音は同様のものとして考えることが可能だそうです。たとえばラジオDJのブースは分厚いガラスによって周囲と隔てられ、静かな環境が保たれていますが、同様に電子機器の断熱材にガラスを利用することができるとのこと。

by smorazanm

単に断熱をしたいだけであれば、DJブースの分厚いガラスにならって分厚いガラスを使った断熱材を作ればいいだけですが、電子機器の断熱材はできるだけ薄いことが望まれます。そこで研究チームは、複数のガラス窓で音や熱を遮るアイデアにヒントを得て、薄い層を重ねた断熱材を開発することにしました。

研究チームのサム・バジリ氏は、「私たちは分厚いガラスの代わりに、原子的に薄い材料の層をいくつか重ねることで断熱材を作るアイデアを用いました」と述べました。近年では科学の発達によって原子的に薄い材料が発見されるようになり、炭素原子1個分の厚さしかないグラフェンなどは、多くの分野に利用できる新しい素材として注目を浴びています。

このアイデアを基にグラフェンやその他3種類の原子的に薄いシート状の材料を重ね合わせ、研究チームは全体の厚さがわずか原子10個分しかない4層からなる断熱材の開発に成功しました。各層を通過するたびに原子を振動させる電子の動きが減衰するため、新たな断熱材は薄いにもかかわらず非常に効果的であり、なんと100倍の厚さを持つガラスと同等の断熱性を発揮するとのこと。

by UCL Mathematical & Physical Sciences

ナノスケールの断熱材は電子機器のサイズ縮小などに役立つ可能性がありますが、実用化するには断熱材を大量生産する方法を開発すると共に、電子機器の重要な場所に断熱材を配置する技術の開発も必要です。ポップ氏は、「私たちは原子スケールで熱として現れる超高周波音について、理解し始めたばかりです」と述べました。