Scienziati del Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) di Magonza e della National University of Singapore hanno attestato che la conduttività termica del grafene diverge con le dimensioni dei campioni. Questa scoperta sfida le leggi fondamentali della conduzione del calore per i materiali estesi.

Davide Donadio, capo di un gruppo di ricerca Max Planck presso l'MPI-P, e il suo partner di Singapore sono stati in grado di prevedere questo fenomeno con simulazioni al computer e di verificarlo negli esperimenti. La loro ricerca e i loro risultati sono stati ora presentati sulla rivista scientifica Comunicazioni sulla natura .

"Abbiamo riconosciuto meccanismi di trasferimento del calore che in realtà contraddicono la legge di Fourier su scala micrometrica. Ora tutte le precedenti misurazioni sperimentali della conduttività termica del grafene devono essere reinterpretate. Il concetto stesso di conduttività termica come proprietà intrinseca non vale per il grafene, almeno per toppe grandi quanto diversi micrometri", dice Davide Donadio.

Le costanti materiali sono modificabili dopo tutto?

Il fisico francese Joseph Fourier aveva postulato le leggi della propagazione del calore nei solidi. Di conseguenza, la conducibilità termica è una proprietà intrinseca del materiale che normalmente è indipendente dalle dimensioni o dalla forma. Nel grafene, uno strato bidimensionale di atomi di carbonio, Non è il caso, come ora hanno scoperto i nostri scienziati. Con esperimenti e simulazioni al computer, hanno scoperto che la conduttività termica aumenta logaritmicamente in funzione della dimensione dei campioni di grafene:cioè, più lunghe sono le patch di grafene, più calore può essere trasferito per unità di lunghezza.

Questa è un'altra proprietà unica di questo materiale miracoloso molto apprezzato che è il grafene:è chimicamente molto stabile, flessibile, cento volte più resistente allo strappo dell'acciaio e allo stesso tempo molto leggero. Il grafene era già noto per essere un ottimo conduttore di calore:la novità qui è che la sua conducibilità termica, che fino a quel momento era considerata una costante materiale, varia all'aumentare della lunghezza del grafene. Dopo aver analizzato le simulazioni, Davide Donadio ha scoperto che questa caratteristica deriva dalla combinazione di dimensionalità ridotta e legame chimico rigido, che fanno propagare le vibrazioni termiche con minima dissipazione in condizioni di non equilibrio.

Raffreddamento ottimale per la nanoelettronica

Nella micro e nanoelettronica, il calore è il fattore limitante per i componenti più piccoli ed efficienti. Perciò, i materiali con conducibilità termica virtualmente illimitata hanno un enorme potenziale per questo tipo di applicazioni. Materiali con eccezionali proprietà elettroniche che sono anche autoraffreddanti, come potrebbe essere il grafene, sono il sogno di ogni ingegnere elettronico.

Davide Donadio, un ricercatore italiano, già trattato di nanostrutture di carbonio, processi di cristallizzazione e materiali termoelettrici durante i suoi studi a Milano, i suoi soggiorni di ricerca presso l'ETH di Zurigo (Svizzera) e presso l'Università della California, Davis (USA). Dal 2010, ha indagato, tra gli altri, trasporto termico in nanostrutture utilizzando la fisica teorica e simulando il comportamento atomico delle sostanze con il suo Max Planck Research Group presso l'MPI-P.