Du har känt värmen förut – smarttelefonen som värms när du kör en navigeringsapp eller den bärbara datorn som blir för varm för ditt knä.

Värmen som produceras av elektroniska enheter gör mer än att irritera användarna. Värmeinducerade tomrum och sprickbildning kan göra att chips och kretsar misslyckas.

Nu har ett Stanford-ledda ingenjörsteam utvecklat ett sätt att inte bara hantera värme, men hjälp till att dirigera den bort från känsliga enheter. Skriver in Naturkommunikation , forskarna beskriver en termisk transistor – en brytare i nanoskala som kan leda bort värme från elektroniska komponenter och isolera dem mot dess skadliga effekter.

"Att utveckla en praktisk termisk transistor kan vara en spelförändring i hur vi designar elektronik, " sa seniorförfattaren Kenneth Goodson, professor i maskinteknik.

Forskare har försökt utveckla värmebrytare i flera år. Tidigare termiska transistorer visade sig vara för stora, för långsam och inte tillräckligt känslig för praktisk användning. Utmaningen har varit att hitta en nanoskalateknologi som kan slås på och av upprepade gånger, har en stor växlingskontrast från varmt till kallt och inga rörliga delar.

Med hjälp av elektroingenjören Eric Pop och materialvetaren Yi Cui, Goodsons team övervann dessa hinder genom att börja med ett tunt lager av molybdendisulfid, en halvledande kristall som är uppbyggd av skiktade ark av atomer. Bara 10 nanometer tjock och effektiv vid rumstemperatur, detta material skulle kunna integreras i dagens elektronik, en avgörande faktor för att göra tekniken praktisk.

För att göra denna värmeledande halvledare till en transistorliknande omkopplare, forskarna badade materialet i en vätska med massor av litiumjoner. När en liten elektrisk ström appliceras på systemet, litiumatomerna börjar tränga in i lagren av kristallen, ändra dess värmeledande egenskaper. När litiumkoncentrationen ökar, termotransistorn stängs av. Arbetar med Davide Donadios grupp vid University of California, Davis, forskarna upptäckte att detta händer eftersom litiumjonerna trycker isär kristallens atomer. Det gör det svårare för värmen att ta sig igenom.

Aditya Sood, en postdoktor med Goodson och Pop och medförfattare på tidningen, liknade termotransistorn med termostaten i en bil. När bilen är kall, termostaten är avstängd, förhindrar kylvätska från att flöda, och motorn håller värmen. När motorn blir varm, termostaten öppnas och kylvätskan börjar röra sig för att hålla motorn på en optimal temperatur. Forskarna föreställer sig att termiska transistorer kopplade till datorchips skulle slås på och av för att hjälpa till att begränsa värmeskadorna i känsliga elektroniska enheter.

Förutom att möjliggöra dynamisk värmekontroll, teamets resultat ger nya insikter om vad som gör att litiumjonbatterier misslyckas. Eftersom de porösa materialen i ett batteri infunderas med litium, de hindrar värmeflödet och kan få temperaturerna att skjuta upp. Att tänka på denna process är avgörande för att designa säkrare batterier.

I en mer avlägsen framtid föreställer sig forskarna att termiska transistorer kan arrangeras i kretsar för att beräkna med hjälp av värmelogik, ungefär som halvledartransistorer beräknar med elektricitet. Men samtidigt upphetsad av potentialen att kontrollera värme på nanoskala, forskarna säger att denna teknik är jämförbar med där de första elektroniska transistorerna fanns för cirka 70 år sedan, när ens uppfinnarna inte helt kunde föreställa sig vad de hade gjort möjligt.

"För första gången, dock, en praktisk termisk transistor i nanoskala är inom räckhåll, " säger Goodson.