(Phys.org) —Grafene, una forma spessa un atomo della grafite materiale di carbonio, è stato salutato come un materiale meraviglioso, forte, leggero, quasi trasparente, e un ottimo conduttore di elettricità e calore. Ma è necessario superare una serie di sfide pratiche prima che possa emergere come sostituto del silicio e di altri materiali nei microprocessori e nei dispositivi energetici di prossima generazione.

Una sfida particolare riguarda il modo in cui i fogli di grafene possono essere utilizzati nei dispositivi reali.

"Quando si fabbricano dispositivi utilizzando il grafene, devi supportare il grafene su un substrato e così facendo in realtà sopprime l'elevata conduttività termica del grafene, " disse Li Shi, un professore di ingegneria meccanica presso l'Università del Texas ad Austin, il cui lavoro è parzialmente finanziato dalla National Science Foundation (NSF).

La conduttività termica è fondamentale nell'elettronica, soprattutto quando i componenti si riducono alla nanoscala. L'elevata conduttività termica è una buona cosa per i dispositivi elettronici fabbricati con grafene. Significa che il dispositivo può diffondere il calore che genera per prevenire la formazione di punti caldi locali. Però, nel caso del grafene, quando vengono utilizzati anche i materiali di supporto necessari, il grafene perde parte dell'elevatissima conduttività termica prevista per il suo stato idealizzato quando è sospeso liberamente nel vuoto.

In un articolo pubblicato nel settembre 2013 su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , Shi, insieme all'assistente di ricerca laureato Mir Mohammad Sadeghi e alla borsista post-dottorato Insun Jo, progettato un esperimento per osservare gli effetti della conduttività termica quando è stato aumentato lo spessore del grafene supportato su uno strato di vetro amorfo.

Hanno osservato che la conduttività termica aumentava man mano che il numero di strati cresceva da un singolo strato di un atomo a uno spessore di 34 strati. Però, anche a 34 strati, la conduttività termica non si era ripristinata al punto da raggiungere l'altezza della grafite sfusa, che è un ottimo conduttore di calore.

Questi risultati stanno portando Shi e altri a esplorare nuovi modi per supportare o collegare il grafene con il mondo macroscopico, comprese strutture tridimensionali in schiuma interconnesse di grafene e grafite ultrasottile, o l'uso di nitruro di boro esagonale, che ha quasi la stessa struttura cristallina del grafene.

"Uno dei nostri obiettivi è utilizzare il grafene e altri materiali stratificati per realizzare dispositivi elettronici flessibili, " Shi ha spiegato. "E quei dispositivi saranno realizzati su substrati di plastica, che sono flessibili, ma hanno anche una conduttività termica molto bassa. Quando si esegue la corrente attraverso i dispositivi, molti di loro falliscono. Il calore non può essere dissipato efficacemente, quindi diventa molto caldo e scioglie semplicemente il substrato."

La fusione non è l'unico problema. Con l'aumentare delle temperature, il substrato polimerico flessibile può diventare un materiale fuso e simile alla gomma che rompe i materiali elettronici costruiti sopra e fa sì che i minuscoli fili conduttori nei dispositivi elettronici si guastino facilmente.

"Generalmente, un hot chip non va bene per i dispositivi, " disse Shi. "I transistor cambieranno più lentamente e richiederanno più potenza".

Shi ha esplorato le proprietà fisiche dei materiali a base di grafene per più di un decennio. È coautore di un articolo del 2001 in Lettere di revisione fisica che ha riportato la prima misura di alta conducibilità termica in singoli nanotubi di carbonio, un cugino del grafene. È anche coautore di un articolo del 2010 in Scienza che ha fornito informazioni critiche sulla conduttività termica e sul trasporto termico nel grafene a strato singolo supportato su un substrato.

Shi sta cercando di rispondere a domande fondamentali su come i fononi, le vibrazioni degli atomi nei solidi, trasportano il calore. I fononi sono come elettroni o fotoni (particelle di luce), in quanto trasportano energia termica. Però, molto meno si sa dei fononi perché i loro effetti sono meno evidenti alla macroscala in cui viviamo.

"Questo studio fondamentale ci ha permesso di comprendere la fisica intrinseca della diffusione delle onde reticolari, " disse Shi.

Gli esperimenti di Shi hanno permesso al suo team di dedurre come i fononi si disperdono in funzione dello spessore degli strati di grafene, sulla base delle osservazioni di come la conduttività termica varia con il diverso numero di strati.

Per raccogliere queste intuizioni, il suo team ha condotto calcoli teorici utilizzando il supercomputer Stampede presso il Texas Advanced Computing Center (TACC) dell'Università del Texas ad Austin. Stampede è finanziato dalla National Science Foundation (NSF) attraverso il premio ACI-1134872.

Le simulazioni li hanno portati a comprendere meglio i loro risultati sperimentali.

"Per capire veramente la fisica, è necessario includere calcoli teorici aggiuntivi. Ecco perché usiamo i supercomputer di TACC, " Shi ha detto. "Quando fai un esperimento, vedi una tendenza, ma senza fare i calcoli non si sa bene cosa significhi. La combinazione dei due è molto potente. Se ne fai uno senza fare l'altro, potresti non sviluppare la comprensione necessaria."

La maggior parte dei sistemi termici utilizzati oggi si basa su tecnologie legacy, secondo Shi. Il rame e l'alluminio servono come materiali di dissipazione del calore nei computer; i sali fusi e la cera di paraffina sono utilizzati come mezzo di accumulo di energia nei dispositivi di accumulo termico; e per eseguire la conversione termoelettrica per il recupero del calore residuo, utilizziamo materiali come il tellururo di bismuto o il tellururo di piombo che contengono elementi che non sono né abbondanti nella crosta terrestre né rispettosi dell'ambiente.

"Siamo davvero limitati dai materiali, " Shi ha detto. "Possiamo trovare materiali più efficaci per sostituire le interconnessioni in rame e i dissipatori di calore in rame, o sostituire i transistor al silicio? Possiamo sviluppare isolanti termicamente stabili per applicazioni come la protezione antincendio? Penso che tra 10 anni, nuovi materiali verranno scoperti e implementati per sostituire queste tecnologie legacy".

Recentemente, Shi ha esplorato come il grafene multistrato può recuperare parte dell'elevata conduttività termica che si perde quando il grafene viene posizionato su un substrato di vetro, e anche esaminando altri materiali cristallini per supportare il grafene

Shi e il suo team stanno sperimentando e modellando nuovi supporti dielettrici, come il nitruro di boro, che ha una struttura cristallina paragonabile al grafene. La speranza è che la sua struttura cristallina simile porti a una migliore conduttività termica e a una minore diffusione dei fononi quando vengono utilizzati per supportare il grafene. In un recente articolo in Lettere fisiche applicate , Il team di Shi e Steve Cronin della University of Southern California ha riportato la loro indagine sul trasporto termico attraverso un'interfaccia grafene/nitruro di boro

I risultati suggeriscono l'importanza di migliorare la qualità dell'interfaccia per aumentare la conduttanza dell'interfaccia.

Un'altra linea di ricerca di Shi riguarda i materiali per lo stoccaggio dell'energia termica. Scritto nel numero di dicembre 2013 della rivista Scienze energetiche e ambientali , Il team di Shi ha dimostrato che le schiume di grafene ultrasottili possono essere utilizzate per aumentare la capacità di potenza dei dispositivi di accumulo termico aumentando la velocità con cui il calore può essere caricato e scaricato nei materiali a cambiamento di fase utilizzati per immagazzinare l'energia termica.

"La maggiore stabilità del ciclo termico, e l'applicabilità a una vasta gamma di materiali a cambiamento di fase suggerisce che i compositi in schiuma di grafite ultrasottili sono un percorso promettente per raggiungere gli obiettivi di capacità elevata di una serie di applicazioni di accumulo termico, compreso il riscaldamento e il raffreddamento di edifici e veicoli, raccolta solare termica, e la gestione termica dell'accumulo di energia elettrochimica e dei dispositivi elettronici, " ha detto Michael Pettes, un professore di ingegneria meccanica presso l'Università del Connecticut e coautore dell'articolo.

"È il lavoro fondamentale di Shi sui materiali su scala nanometrica, incluso il grafene, che ha guidato la progettazione di materiali scalabili che possono trarre vantaggio dalla nanostrutturazione e fornire vantaggi sociali potenzialmente rivoluzionari, " disse Petti.

Il filo conduttore di tutta questa ricerca è lo sviluppo di una comprensione di come i vettori energetici fondamentali, compresi gli elettroni, fotoni, fononi e molecole, vengono trasportati e accoppiati tra loro nei materiali.

"Il professor Shi ha aperto la strada al lavoro sulle misurazioni del trasporto fononico su nanoscala e ha effettuato misurazioni su una gamma di sistemi su nanoscala, " disse Sumant Acharya, un ufficiale di programma nel programma sui processi di trasporto termico presso la NSF. "He was among the first to report measurements showing the important effect of a substrate on thermal conductivity reduction in graphene."

The NSF has also supported Shi on the development of low-cost silicide thermoelectric materials with the intent of fostering the development of thermoelectric-based waste heat recovery from automobiles.

"Professor Shi is a leader in the field of nano-scale heat transport, and I am pleased that the NSF has been able to support many of Professor Shi's groundbreaking research, " Acharya said.

Despite a long history exploring and designing with the material, Shi doesn't claim graphene will always be superior to other materials.

"It has exciting prospects for applications, " he said. "And there's great physics involved."