Excesso de calor emitido por smartphones, laptops e outros dispositivos eletrônicos podem ser irritantes, mas, além disso, contribui para o mau funcionamento e, em casos extremos, pode até causar a explosão das baterias de lítio.

Para se proteger contra tais males, engenheiros costumam inserir vidro, plástico ou mesmo camadas de ar como isolamento para evitar que componentes geradores de calor, como microprocessadores, causem danos ou desconforto aos usuários.

Agora, Pesquisadores de Stanford mostraram que algumas camadas de materiais atomicamente finos, empilhados como folhas de papel sobre pontos quentes, pode fornecer o mesmo isolamento que uma folha de vidro 100 vezes mais espessa. No curto prazo, escudos térmicos mais finos permitirão aos engenheiros fazer dispositivos eletrônicos ainda mais compactos do que os que temos hoje, disse Eric Pop, professor de engenharia elétrica e autor sênior de um artigo publicado em 16 de agosto em Avanços da Ciência .

"Estamos olhando para o calor em dispositivos eletrônicos de uma forma totalmente nova, "Pop disse.

Detectando som como calor

O calor que sentimos de smartphones ou laptops é, na verdade, uma forma inaudível de som de alta frequência. Se isso parece loucura, considere a física subjacente. A eletricidade flui através dos fios como um fluxo de elétrons. À medida que esses elétrons se movem, eles colidem com os átomos dos materiais por onde passam. Com cada colisão, um elétron faz com que um átomo vibre, e quanto mais corrente flui, quanto mais colisões ocorrem, até que os elétrons estejam batendo nos átomos como martelos em tantos sinos - exceto que esta cacofonia de vibrações se move através do material sólido em frequências muito acima do limiar da audição, gerando energia que sentimos como calor.

Pensar no calor como uma forma de som inspirou os pesquisadores de Stanford a pegar emprestados alguns princípios do mundo físico. De seus dias como DJ de rádio na KZSU 90.1 FM de Stanford, Pop sabia que os estúdios de gravação de música são silenciosos graças às grossas janelas de vidro que bloqueiam o som externo. Um princípio semelhante se aplica aos escudos térmicos na eletrônica de hoje. Se melhor isolamento fosse sua única preocupação, os pesquisadores poderiam simplesmente pegar emprestado o princípio do estúdio de música e engrossar suas barreiras de calor. Mas isso frustraria os esforços para tornar os eletrônicos mais finos. A solução deles foi pegar emprestado um truque dos proprietários, que instalam janelas com vários painéis - geralmente, camadas de ar entre as folhas de vidro com espessura variável - para tornar os interiores mais quentes e silenciosos.

"Adaptamos essa ideia criando um isolante que usava várias camadas de materiais atomicamente finos em vez de uma espessa massa de vidro, "disse o pós-doutorado Sam Vaziri, o autor principal do artigo.

Materiais atomicamente finos são uma descoberta relativamente recente. Foi apenas 15 anos atrás que os cientistas conseguiram isolar alguns materiais em camadas tão finas. O primeiro exemplo descoberto foi o grafeno, que é uma única camada de átomos de carbono e, desde que foi encontrado, cientistas têm procurado, e experimentando, outros materiais semelhantes a folhas. A equipe de Stanford usou uma camada de grafeno e três outros materiais semelhantes a folhas - cada um com três átomos de espessura - para criar um isolante de quatro camadas com apenas 10 átomos de profundidade. Apesar de sua magreza, o isolante é eficaz porque as vibrações do calor atômico são amortecidas e perdem grande parte de sua energia à medida que passam por cada camada.

Para tornar práticos os escudos térmicos em nanoescala, os pesquisadores terão que encontrar alguma técnica de produção em massa para pulverizar ou depositar camadas de materiais com a espessura de um átomo em componentes eletrônicos durante a fabricação. Mas por trás do objetivo imediato de desenvolver isoladores mais finos paira uma ambição maior:os cientistas esperam um dia controlar a energia vibracional dentro dos materiais da maneira como agora controlam a eletricidade e a luz. À medida que passam a entender o calor em objetos sólidos como uma forma de som, um novo campo da fonônica está surgindo, um nome retirado da raiz grega por trás de telefone, fonógrafo e fonética.

"Como engenheiros, sabemos muito sobre como controlar a eletricidade, e estamos ficando melhores com a luz, mas estamos apenas começando a entender como manipular o som de alta frequência que se manifesta como calor em escala atômica, "Pop disse.