Questo materiale conduce e isola il calore allo stesso tempo: una svolta per l'elettronica?

Un team di scienziati dell'Università di Chicago ha trovato un modo (qui lo studio su Nature) per incanalare il calore a livello microscopico, ottenendo così un isolante termico che potrebbe trovare applicazione in elettronica e in altri settori dove la dissipazione del calore rappresenta una sfida ingegneristica. Il materiale è stato ottenuto impilando strati ultrasottili di fogli cristallini uno sopra l'altro: ruotando leggermente ogni strato i ricercatori hanno dato vita a un materiale con atomi allineati in una direzione ma non nell'altra.

"Pensate a un cubo di Rubik finito solo in parte, con strati tutti ruotati in direzioni casuali", ha detto Shi En Kim, primo autore dello studio. "Ciò significa che all'interno di ogni strato del cristallo abbiamo ancora un reticolo ordinato di atomi ma, se ti sposti allo strato vicino, non hai idea di dove saranno gli atomi successivi rispetto allo strato precedente: gli atomi sono completamente disordinati lungo questa direzione".

Il risultato è un materiale che è estremamente buono sia a contenere il calore che a spostarlo, anche se in direzioni differenti: un'abilità insolita su scala nanometrica che potrebbe avere applicazioni molto utili nell'elettronica e in altre tecnologie. "La combinazione di un'eccellente conduttività termica in una direzione e di un eccellente isolamento nell'altra direzione non esiste in natura", ha affermato Jiwoong Park, professore di chimica e ingegneria molecolare presso l'Università di Chicago.

Il team guidato dal professor Park di solito studia modi per creare strati di materiali estremamente sottili, spessi solo pochi atomi, con reticoli estremamente regolari e ripetuti che facilitano il movimento dell'elettricità (e del calore) lungo il materiale. In quest'occasione gli scienziati si sono chiesti cosa sarebbe successo se avessero ruotato leggermente ogni strato successivo.

Le rilevazioni di laboratorio hanno portato a scoprire che così facendo avevano ottenuto una parete microscopica estremamente efficace nell'impedire al calore di spostarsi tra i diversi comparti. "La conduttività termica è sorprendentemente bassa, quanto l'aria, che è ancora uno dei migliori isolanti che conosciamo", ha affermato Park. "Questo di per sé è sorprendente, perché è molto insolito trovare quella proprietà in un materiale che è un solido denso, il quale tende ad essere un buon conduttore di calore".

L'elemento davvero entusiasmante è che il materiale è comunque in grado di trasportare il calore lungo la parete molto facilmente. Queste due proprietà, se usate insieme, potrebbero essere molto utili in svariati settori, dove le alte temperature portano a instabilità.

"Se possiamo usare un materiale che può sia condurre calore che isolare il calore allo stesso tempo in direzioni diverse, possiamo allontanare il calore da una sorgente, come una batteria, evitando parallelamente le parti più fragili del dispositivo", spiegano i ricercatori.

Questa scoperta potrebbe consentire di tornare a sperimentare materiali che sinora si erano dimostrati troppo sensibili al calore per essere utilizzati in elettronica. Inoltre, creare un gradiente termico estremo, dove qualcosa è molto caldo da un lato e freddo dall'altro, potrebbe avere molte applicazioni.

"Se pensate a cosa ha fatto il vetro delle finestre per noi, cioè mantenere separate le temperature esterne e interne, avete un'idea di quanto potrebbe essere utile", ha detto Park. Gli scienziati hanno testato la loro tecnica solo in un materiale, chiamato disolfuro di molibdeno, ma pensano che questo meccanismo potrebbe applicarsi in linea generale a molti altri.