Szkło kojarzy się z izolacją, ale w skali pojedynczego atomu zachowuje się odwrotnie. Naukowcy z Uniwersytetu Kolorado w Boulder zaobserwowali, że nić szkła o grubości jednego atomu bardzo sprawnie przewodzi ciepło. Wyniki mogą pomóc w projektowaniu jeszcze mniejszych układów elektronicznych.

Dlaczego miniaturyzacja ma swoją cenę

Współczesny smartwatch ma znacznie większą moc obliczeniową niż komputery, które pomagały lądować astronautom programu Apollo na Księżycu. Im mniejsze jednak urządzenia, tym mniej miejsca na przepływ ciepła i energii wewnątrz nich. Zdaniem Longjiego Cui, adiunkta z wydziału inżynierii mechanicznej CU Boulder, w pewnym momencie może to stać się barierą dla projektowania kolejnych pokoleń elektroniki i urządzeń fotonicznych.

Aby ją pokonać, inżynierowie muszą lepiej rozumieć, jak materiały wewnątrz urządzeń, w tym szkło, zachowują się po zmniejszeniu do rozmiarów nanometrowych.

Co wykazały badania

Zespół Cui opisał wyniki w czasopiśmie „Nature Nanotechnology”. Gdy szkło zostało rozciągnięte do cienkiej nici o szerokości jednego atomu, ciepło przepływało przez nie z łatwością, choć szkło uchodzi za kiepski przewodnik cieplny. Przepływ następował skokowo, w porcjach równych 40% maksymalnej wartości, jaką pojedynczy kanał może przenieść według praw fizyki kwantowej. Autorzy podkreślają, że po raz pierwszy zaobserwowano taki skwantowany przepływ ciepła przenoszonego przez drgania atomów.

Wyjaśnienie jest następujące: w zwykłym szkle nieuporządkowane ułożenie atomów rozprasza drgania, które niosą ciepło. W nici o grubości jednego atomu na taki nieład nie ma miejsca, więc drgania przechodzą niemal bez przeszkód. Guilherme de Vilhena z Instytutu Nauki o Materiałach w Madrycie, współautor badania, ujął to tak: „Szkło wkładamy do okien, żeby zatrzymać ciepło, ale rozciągnięte w nić o grubości jednego atomu robi coś odwrotnego”.

Mikroskop jak czuły palec

Pomiary wykonano za pomocą skaningowego termicznego mikroskopu sondowego (SThM). Ma on szklaną końcówkę z wbudowanym termometrem i mierzy, jak ciepło przepływa przez kontakty o rozmiarach atomowych. Cui porównuje go do ekstremalnie małego opuszka palca, który odczytuje temperaturę i przepływ ciepła przez pojedynczy atom.

W eksperymencie dwa kawałki szkła dociskano do siebie, a następnie powoli odsuwano. Kontakt wydłużał się i zwężał do nici szerokiej na jeden atom, aż w końcu się zrywał. Właśnie w tym momencie mierzono przepływ ciepła.

Co to oznacza w praktyce

Szkło w postaci dwutlenku krzemu jest powszechnie stosowane w układach scalonych jako warstwa izolacyjna. Nowa wiedza o jego zachowaniu w skali atomowej może więc przydać się przy projektowaniu mniejszych podzespołów. Badacze wskazują, że podobne niespodzianki mogą dotyczyć także innych materiałów, a mikroskopem da się badać zarówno metale, jak i izolatory. Szczególnie interesują ich półprzewodniki, czyli podstawowe elementy nanoelektroniki.

Dla czytelnika w Polsce to na razie wiedza podstawowa, a nie gotowa technologia. Badanie zrealizowano w USA i Hiszpanii, a artykuł nie wskazuje terminu ani konkretnych produktów, w których wyniki miałyby zostać wykorzystane. Pośrednio dotyczy to jednak każdego, kto korzysta z telefonów, laptopów czy zegarków: lepsze zarządzanie ciepłem w coraz mniejszych układach to jeden z warunków, by sprzęt był wydajny, energooszczędny i niezawodny. Kierunek ten jest ważny także dla europejskiego przemysłu półprzewodnikowego.

Źródło: Phys.org – „Glass does surprising things when stretched 1 atom wide. The discovery could help shrink electronics”