I ricercatori dell'EPFL hanno gettato nuova luce sui meccanismi fondamentali della dissipazione del calore nel grafene e in altri materiali bidimensionali. Hanno dimostrato che il calore può propagarsi come un'onda su distanze molto lunghe. Queste sono le informazioni chiave per progettare l'elettronica di domani.

Nella corsa alla miniaturizzazione dei componenti elettronici, i ricercatori devono affrontare un grosso problema:più piccolo o più veloce è il tuo dispositivo, più difficile è raffreddarlo. Una soluzione per migliorare il raffreddamento è utilizzare materiali ad altissima conducibilità termica, come il grafene, per dissipare rapidamente il calore e quindi raffreddare i circuiti.

Al momento, però, potenziali applicazioni si trovano ad affrontare un problema fondamentale:come si propaga il calore all'interno di questi fogli di materiali spessi non più di pochi atomi?

In uno studio pubblicato su Comunicazioni sulla natura , un team di ricercatori dell'EPFL ha gettato nuova luce sui meccanismi della conduttività termica nel grafene e in altri materiali bidimensionali. Hanno dimostrato che il calore si propaga sotto forma di onda, proprio come il suono nell'aria. Questo è stato fino ad ora un fenomeno molto oscuro osservato in pochi casi a temperature prossime allo zero assoluto. Le loro simulazioni forniscono uno strumento prezioso per i ricercatori che studiano il grafene, se raffreddare i circuiti su scala nanometrica, o per sostituire il silicio nell'elettronica di domani.

Propagazione quasi senza perdite

Se finora è stato difficile comprendere la propagazione del calore nei materiali bidimensionali, è perché questi fogli si comportano in modi inaspettati rispetto ai loro cugini tridimensionali. Infatti, sono in grado di trasferire calore con perdite estremamente limitate, anche a temperatura ambiente.

In genere, il calore si propaga in un materiale attraverso la vibrazione degli atomi. Queste vibrazioni sono chiamate "fononi", e poiché il calore si propaga attraverso un materiale tridimensionale, , questi fononi continuano a scontrarsi tra loro, fondendosi insieme, o scissione. Tutti questi processi possono limitare la conduttività del calore lungo il percorso. Solo in condizioni estreme, quando la temperatura si avvicina allo zero assoluto (-200 °C o inferiore), è possibile osservare un trasferimento di calore quasi senza perdite.

Un'ondata di calore quantistico

La situazione è molto diversa nei materiali bidimensionali, come dimostrato dai ricercatori dell'EPFL. Il loro lavoro dimostra che il calore può propagarsi senza perdite significative in 2D anche a temperatura ambiente, grazie al fenomeno della diffusione ondulatoria, chiamato "secondo suono". In quel caso, tutti i fononi marciano insieme all'unisono su distanze molto lunghe. "Le nostre simulazioni, basato sulla fisica dei primi principi, hanno dimostrato che fogli di materiali atomicamente sottili si comportano, anche a temperatura ambiente, allo stesso modo dei materiali tridimensionali a temperature estremamente basse" afferma Andrea Cepelletti, il primo autore dello studio. "Possiamo dimostrare che il trasporto termico è descritto da onde, non solo nel grafene ma anche in altri materiali non ancora studiati, " spiega Cepelletti. "Si tratta di un'informazione estremamente preziosa per gli ingegneri, chi potrebbe sfruttare la progettazione di futuri componenti elettronici utilizzando alcune di queste nuove proprietà dei materiali bidimensionali".