I ricercatori hanno risolto l'enigma di lunga data di come il confine tra i grani di grafene influenzi la conduttività termica nei film sottili della sostanza miracolosa, avvicinando gli sviluppatori alla capacità di progettare film su una scala utile per il raffreddamento di dispositivi microelettronici e centinaia di altri applicazioni nanotecnologiche.

Lo studio, dai ricercatori dell'Università dell'Illinois a Chicago, l'Università del Massachusetts-Amherst e la Boise State University, è pubblicato online in Nano lettere .

Dalla sua scoperta, il grafene, un singolo strato di atomi di carbonio collegati in uno schema a rete metallica, ha suscitato un intenso interesse per la sua fenomenale capacità di condurre calore ed elettricità. Praticamente ogni dispositivo nanotecnologico potrebbe beneficiare della straordinaria capacità del grafene di dissipare il calore e ottimizzare la funzione elettronica, dice Poya Yasaei, Laureato UIC in ingegneria meccanica e industriale e primo autore del paper.

In due anni, indagine multidisciplinare, i ricercatori hanno sviluppato una tecnica per misurare il trasferimento di calore attraverso un singolo confine di grano e sono rimasti sorpresi nello scoprire che era un ordine di grandezza - ben 10 volte - inferiore al valore teoricamente previsto. Hanno quindi ideato modelli al computer in grado di spiegare le osservazioni sorprendenti dal livello atomico al livello del dispositivo.

I film di grafene per applicazioni nanotecnologiche sono costituiti da molti minuscoli cristalli di grafene, dice Amin Salehi-Khojin, Professore assistente UIC di ingegneria meccanica e industriale e ricercatore principale dello studio. La produzione di pellicole sufficientemente grandi per l'uso pratico introduce difetti ai confini tra i cristalli che compongono la pellicola.

Il team di Salehi-Khojin ha sviluppato un sistema sperimentale finemente sintonizzato che deposita un film di grafene su una membrana di nitrato di silicio spessa solo quattro milionesimi di pollice e può misurare il trasferimento di calore da un singolo cristallo di grafene all'altro. Il sistema è sensibile anche alle più piccole perturbazioni, come un bordo di grano su scala nanometrica, afferma il coautore Reza Hantehzadeh, un ex studente laureato UIC che ora lavora presso Intel.

Quando due cristalli sono ben allineati, il trasferimento di calore avviene proprio come previsto dalla teoria. Ma se i due cristalli hanno bordi disallineati, il trasferimento di calore è 10 volte inferiore.

Per tenere conto della differenza di ordine di grandezza, una squadra guidata da Fatemeh Khalili-Araghi, assistente professore di fisica dell'UIC e ricercatore co-principale sulla carta, ha ideato una simulazione al computer del trasferimento di calore tra i bordi dei grani a livello atomico.

Il gruppo di Khalili-Araghi ha scoperto che quando il computer "costruiva" bordi di grano con diversi angoli di disadattamento, il confine del grano non era solo una linea, era una regione di atomi disordinati. La presenza di una regione disordinata ha influenzato significativamente la velocità di trasferimento del calore nel loro modello al computer e può spiegare i valori sperimentali.

"Con angoli disallineati più grandi, questa regione disordinata potrebbe essere ancora più ampia o più disordinata, " lei disse.

Per simulare realisticamente i bordi dei grani non corrispondenti e il trasferimento di calore naturale, è stato necessario modellare la sintesi di una vasta area di film di grafene, con i grani che crescono e si uniscono:una simulazione molto complessa, Khalili-Araghi ha detto, che ha richiesto l'"enorme potenza di calcolo" del cluster di calcolo ad alte prestazioni dell'UIC.

"Con la nostra simulazione possiamo vedere esattamente cosa sta succedendo a livello atomico, " ha detto il co-autore Arman Fathizadeh, Assegnista di ricerca post-dottorato UIC in fisica. "Ora possiamo spiegare diversi fattori:la forma e la dimensione dei bordi dei grani, e l'effetto del substrato."