ปัจจุบันอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ ในชีวิตประจำวันของเรา ตั้งแต่ สมาร์ทโฟน โน้ตบุ๊ก มักพบปัญหาความร้อนที่เกิดขึ้นในขณะใช้งาน ซึ่งจะรบกวนการทำงานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เหล่านี้ และหากความร้อนเกิดขึ้นมากเกินไปย่อมเกิดปัญหาถึงขั้นอุปกรณ์หยุดการทำงานได้
วิธีแก้ปัญหาหนึ่งคือ วิศวกรจะใส่แผ่นกระจก แผ่นพลาสติกหรือชั้นอากาศเพื่อเป็นฉนวนกันความร้อนจากชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่เป็นแหล่งกำเนิดความร้อน เช่น ไมโครโปรเซสเซอร์ เพื่อป้องกันความเสียหายของชิ้นส่วนอื่นๆ ที่อยู่ใกล้เคียงและลดความรู้สึกร้อนที่จะเกิดขึ้นกับผู้ใช้งาน
ล่าสุด ศาสตราจารย์เอริก ป๊อป (Eric Pop) วิศวกรไฟฟ้า หัวหน้าทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด รัฐแคลิฟอร์เนีย สหรัฐอเมริกา ได้สร้างชั้นอะตอมของสสารที่บางเหมือนแผ่นกระดาษเพื่อเป็นฉนวนกันความร้อน โดยบางกว่าแผ่นกระจกกันความร้อนที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบันถึง 100 เท่า งานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Science Advances เมื่อวันที่ 16 สิงหาคม ค.ศ. 2019 เขากล่าวว่า “หากฉนวนชนิดใหม่สามารถนำมาประยุกต์ใช้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้ จะทำให้พวกมันมีขนาดกะทัดรัดและบางลงอีกในอนาคต” งานวิจัยนี้เกิดขึ้นได้ด้วยการมองความร้อนที่เกิดขึ้นในรูปเสียง! กล่าวคือ ความร้อนที่เกิดขึ้นจากสมาร์ทโฟนหรือแล็ปท็อปนั้น “เปรียบได้กับ” เสียงความถี่สูงที่หูมนุษย์เราไม่ได้ยินกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านสายไฟเกิดจากการไหลของอิเล็กตรอนจำนวนมหาศาล เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่พวกมันจะชนกับอะตอมที่มันเคลื่อนผ่าน ทำให้อะตอมเกิดการสั่นสะเทือนคล้ายกับกลุ่มค้อนที่ตีไปบนระฆังจำนวนมาก การสั่นสะเทือนผ่านของแข็งดังกล่าวนี้อาจมองได้ว่าเป็นเสียงที่มีความถี่สูงเกินขอบเขตการได้ยินของมนุษย์นั่นเอง
ศาสตราจารย์เอริก ป๊อป ทราบดีว่าสตูดิโอบันทึกเสียงนั้นเงียบเนื่องจากมีการติดตั้งหน้าต่างกระจกหนาๆ เพื่อปิดกั้นเสียงจากภายนอก หลักการที่คล้ายกันนี้ใช้กับฉนวนป้องกันความร้อนในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในปัจจุบัน หากเพิ่มความหนาของฉนวนจะทำให้กั้นความร้อนได้ดีขึ้น แต่วิธีนี้ขัดแย้งกับความพยายามที่จะทำให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บางลง
ทีมวิจัยจึงแก้ปัญหาโดยยืมเคล็ดลับจากบ้านที่ติดตั้งกระจกหน้าต่างที่มีความหนาแตกต่างกัน เรียงซ้อนกันหลายชั้นแบบเว้นระยะโดยมีช่องว่างอากาศคั่นระหว่างกระจกซึ่งวิธีนี้นอกจากจะทำให้อากาศภายในบ้านอบอุ่นขึ้นแล้ว ยังลดเสียงรบกวนจากภายนอกได้อีกด้วย
แซม วาซิรี (Sam Vaziri) นักวิจัยหลังปริญญาเอกผู้เขียนบทความกล่าวว่า “ เราประยุกต์แนวคิดนี้ด้วยการสร้างฉนวนจากวัสดุบางในระดับอะตอมหลายชั้นแทนที่การใช้กระจกหนาๆ แผ่นเดียว”
วัสดุที่บางในระดับอะตอมถูกสังเคราะห์ขึ้นเมื่อ 15 ปีก่อนนี้ โดยวัสดุบางเพียงหนึ่งอะตอมชนิดแรก คือ กราฟีน (Graphene) ซึ่งเป็นอะตอมของคาร์บอนชั้นเดียว นับตั้งแต่นั้นมานักวิทยาศาสตร์ได้พยายามสังเคราะห์วัสดุอื่นให้บางที่สุดเท่าที่จะทำได้เช่นกัน
ในงานวิจัยนี้ ทีมวิจัยทดลองใช้กราฟีนหนา 1 อะตอมและวัสดุชนิดอื่นๆ อีกสามชั้นโดยแต่ละชั้นมีความหนา 3 อะตอมเมื่อซ้อนกันแล้วฉนวนทั้ง 4 ชั้นจึงหนาเพียง 10 อะตอมเท่านั้น แม้จะมีความบางมากแต่ฉนวนที่สร้างขึ้นมีประสิทธิภาพดีเพราะช่วยลดความสั่นสะเทือนของอะตอมที่ทำให้เกิดความร้อนได้โดยเมื่อความร้อนผ่านแต่ละชั้นจะทำให้สูญเสียพลังงานส่วนใหญ่ไป
ก้าวต่อไป ทีมวิจัยจะต้องค้นหาเทคนิคการผลิตให้ได้จำนวนมากเพื่อนำวัสดุที่บางในระดับอะตอมเหล่านี้ใส่ลงในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ให้ได้ ซึ่งหากทำได้ โลกของวัสดุอาจนำมาซึ่งนวัตกรรมและอุปกรณ์ล้ำๆ อีกมากมายในอนาคต
ที่มา:
- https://web.facebook.com/DowThailandGroup/
- https://phys.org/news/2019-08-shield-atoms-thick-electronic-devices.html?fbclid=IwAR1vHVXzBP7-phIJyqxWE8zuh8g0vk_IyMfyNLqLOngrGe00xriv9psfyAI
- S. Vaziri, E. Yalon, M. M. Rojo, S. V. Suryavanshi, H. Zhang, C. J. McClellan, C. S. Bailey, K. K. H. Smithe, A. J. Gabourie, V. Chen, S. Deshmukh, L. Bendersky, A. V. Davydov and E. Pop, 2019, Ultrahigh thermal isolation across heterogeneously layered two-dimensional materials, Science Advances, Vol. 5, No. 8, eaax1325, DOI: 10.1126/sciadv.aax1325
