นักวิทย์ฯ คิดค้นฉนวนกันความร้อนแบบใหม่ มีความหนาแค่เพียง 10 อะตอม เท่านั้น!

ความร้อนที่เกิดจากการทำงานภายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ ไม่ว่าจะเป็นสมาร์ทโฟน, โน้ตบุ๊ค ฯลฯ เป็นปัญหาน่าปวดหัวสำหรับนักออกแบบอุปกรณ์เหล่านี้อย่างมาก หากออกแบบไม่ดีพอ ความร้อนเหล่านี้อาจทำให้เครื่องทำงานผิดปกติ หรือแม้แต่ส่งผลให้แบตเตอรี่ภายในตัวอุปกรณ์เกิดเหตุระเบิดได้เลยด้วยซ้ำ กรณีที่เป็นที่รู้จักกัน ก็อย่างเช่น Galaxy Note 7 ที่ออกแบบผิดพลาด จนถึงกับต้องเลิกผลิต และวางจำหน่าย หลังเปิดตัวได้เพียงแปปเดียว

เทรนด์ของเทคโนโลยีมีความพยายามที่จะออกแบบอุปกรณ์ให้มีความบางที่สุดเท่าที่จะทำได้ แต่อุปสรรคใหญ่ส่วนหนึ่งก็มาจากความร้อนนี่แหละ ต้องอธิบายก่อนว่าในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์นั้น มีชิ้นส่วนมากมายที่สร้างความร้อนสูงได้ ไม่ว่าจะเป็น CPU, GPU, แบตเตอรี่ ฯลฯ ตัวอย่างง่ายๆ เวลาที่เราเล่นเกมบนสมาร์ทโฟน จะสัมผัสได้เลยว่าตัวเครื่องมีความร้อนสูงกว่าเวลาที่เราใช้งานปกติมาก นั่นเป็นสาเหตุที่ภายในนั้นตัวอุปกรณ์จะต้องมีระบบฉนวนกันความร้อน ด้วยการแทรกพลาสติก, กระจก, ฮีทไปป์ หรือแม้แต่ท่อสูญญากาศเอาไว้ และนั่นก็เป็นสาเหตุให้ตัวอุปกรณ์มีความหนาขึ้นอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้

ล่าสุด นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดได้คิดค้นฉนวนกันความร้อนแบบใหม่เป็นท่อสูญญากาศที่มีความบางระดับอะตอม ด้วยการนำแผ่นวัสดุพิเศษที่มีความบางในระดับอะตอมมาวางซ้อนกัน ทำให้เกิดคุณสมบัติในการกันความร้อนได้ไม่ต่างจากการใช้แผ่นกระจกที่มีความหนากว่า 100 เท่าได้ ทำให้วิศวกรสามารถออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้กะทัดรัดขึ้นกว่าในปัจจุบันมาก

Eric Pop ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้า และนักเขียนอาวุโส ได้เผยแพร่ผลการวิจัยลงในนิตยสาร Science Advances ฉบับวันที่ 16 สิงหาคม 2562 ที่ผ่านมา

ผมมองความร้อนในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ไปในทิศทางใหม่

มองว่ามันเป็นคลื่นเสียงความถี่สูงที่เราไม่ได้ยิน

หากบอกว่าความร้อน คือ คลื่นเสียงความถี่สูงที่เราไม่ได้ยิน ฟังดูแล้วมันเป็นเรื่องน่าเหลือเชื่อมากๆ แต่ลองพิจารณาตามหลักฟิสิกส์ ขณะที่กระแสไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านตัวเหนี่ยวนำ กระแสของอีเล็คตรอนจำนวนมากมีการเคลื่อนที่เกิดขึ้น นั่นทำให้มีการปะทะกันของอะตอมเกิดขึ้นเวลาที่อีเล็คตรอนเคลื่อนที่ผ่าน ยิ่งมีกระแสอีเล็คตรอนไหลผ่านมากเท่าไหร่ อะตอมก็จะกระแทกกันมากขึ้นเท่านั้น จนเกิดพลังงานขึ้น และนั่นเองที่ทำให้ความร้อนเกิดขึ้น

จากแนวคิดที่ว่าความร้อนเป็นเหมือนรูปแบบหนึ่งของคลื่นเสียง ได้เป็นแรงบันดาลใจให้ ตอนที่ Eric Pop ได้ร่วมจัดรายการวิทยุที่คลื่น KZSU 90.1 FM เขาได้สังเกตพบว่าในห้องอัดที่นักดนตรีกำลังเล่นอยู่ โดยมีซาวด์เอ็นจิเนียร์อยู่ในห้องข้างๆ แต่เสียงกลับไม่สามารถทะลุผ่านมาอีกห้องได้เลย เพราะกระจกอย่างหนาหลายๆ แผ่นที่กั้นคลื่นเสียงเอาไว้ เขาจึงนำแนวคิดนั้นมาพัฒนาเป็นฉนวนกันความร้อน โดยใช้ Atomically วัสดุที่มีความบางเฉียบหลายๆ แผ่น มาซ้อนกัน โดยมีอากาศแทรกเอาไว้ในระหว่างแผ่นด้วยแนวคิดเดียวกันกระจกกั้นเสียงในห้องอัด

Atomically คือ วัสดุที่มีความหนาเพียง 1 อะตอมถูกค้นพบแล้วรู้จักกันดี

วัสดุแบบ Atomically เป็นวัสดุที่เพิ่งถูกค้นพบมาได้ประมาณ 15 ปีนี้เอง ตัวอย่างวัสดุที่น่าจะรู้จักกันดีก็อย่างเช่น Graphene ที่ผลิตด้วยอะตอมของคาร์บอนเพียงชั้นเดียว ทีมนักวิจัยของสแตนฟอร์ดก็ได้สร้างฉนวนกันความร้อนด้วย Graphene นี่แหละ โดยสร้างออกเป็น 4 ชั้น แต่ละชั้นมีความห่างอยู่ 10 อะตอม

แม้การทดลองจะได้ผลสำเร็จค่อนข้างดี แต่ในการใช้งานเชิงพาณิชย์ มันยังต้องพัฒนากระบวนการผลิตให้ดียิ่งกว่าปัจจุบันเสียก่อน อีกประเด็นที่สำคัญของงานวิจัยชิ้นนี้ คือ มันยังเป็นประะตูบานใหม่ที่จะเปิดทางไปยังการคิดค้นวิธีควบคุมใหม่ๆ ในการใช้ประโยชน์จากการสั่นสะเทือนของอะตอมได้อีกด้วย