Idealny, dziurawy izolator przewodzący prąd

Izolator, który jest jednocześnie przewodnikiem? Wykonanie takiego materiału nie jest problemem, jeśli wykorzysta się nanosiatkę z krzemu. Naukowcy z California Institute of Technology udowodnili, że przewodnik prądu elektrycznego może być jednocześnie izolatorem ciepła.

Wydawać by się mogło, że nie da się zrobić za wiele, by nie tracić ciepła wytwarzanego przez każde bez wyjątku urządzenie elektromechaniczne. Tymczasem uczeni z Calltech pokryli powierzchnię wynalezionego przez siebie materiału cieniuteńką krzemową siatką z oczkami. Wielkość oczek i grubość samej siatki liczona jest w skali nano: 11-16 nanometrów średnicy dla oczek rozstawionych co 34 nanometry w arkuszu o grubości zaledwie 22 nanometrów. Ta właśnie konstrukcja sprawiła, że krzem stał się izolatorem ciepła, zachowując jednocześnie właściwość przewodzenia elektronów.

Czy megakomputery powstaną dzięki Polakom?

Wyjaśnienie pozornego paradoksu przewodnika będącego izolatorem możliwe jest dzięki regułom fizyki kwantowej i dzięki istnieniu fononów. Fonony to kwantowe wersje drgań cieplnych w siatce krystalicznej. I to one są główną przyczyną powstawania oporu elektrycznego w przewodnikach. Fizycy postanowili więc fonony zwyczajnie ujarzmić poprzez ograniczenie ich aktywności. Fonony rozpraszają energię na powierzchni i wewnątrz struktury krystalicznej.

Siatka wynaleziona przez kalifornijskich naukowców ma dużą powierzchnię przy małej wielkości. Jednocześnie wykonanie w niej nanootworów spowodowało, że nanosiatka nie zachowuje się w spsób typowy dla krzemu.  Ta właśnie właściwość umożliwia zapobieganiu utracie ciepła.

Czy to odkrycie przyczyni się do produkcji superwydajnych urządzeń termoelektrycznych? Amerykanie twierdzą, że jak najbardziej. Nanosiatka krzemowa może być sposobem na zatrzymanie ciepła, które do tej pory było bezpowrotnie tracone, bo zwyczajnie uciekało w przestrzeń. Ale to nie wszystko: przewodniki elektryczne o doskonałej izolacyjności cieplnej mogą stać się nową klasą materiałów wykorzystywanych przy budowaniu superenergooszczędnych budynków.

Dziury zwiększą wydajność ogniw fotowoltaicznych

Niewątpliwym plusem dla nowego materiału jest też fakt, że wykonano go z krzemu – tego zaś jest na naszej planecie pod dostatkiem i nie ma obaw, że nawet masowe jego wykorzystanie doprowadziłoby szybko do wyczerpania jego zapasów.

Krzemowa siatka mogłaby zastąpić stosowane obecnie rozwiązania na izolację cieplną, które nie dość, ze są kosztowne, to jeszcze często mało przyjazne naturze.