Il grafene cambierà il mondo, o almeno così ci è stato detto.

Dalla sua scoperta dieci anni fa, scienziati e guru della tecnologia hanno acclamato il grafene come il materiale meraviglioso che potrebbe sostituire il silicio nell'elettronica, aumentare l'efficienza delle batterie, la durata e la conduttività dei touch screen e aprono la strada a energia termica elettrica a basso costo, tra tante altre cose.

È un atomo di spessore, più forte dell'acciaio, più duro del diamante e uno dei materiali più conduttivi sulla terra.

Ma, devono essere superate diverse sfide prima che i prodotti di grafene vengano immessi sul mercato. Gli scienziati stanno ancora cercando di capire la fisica di base di questo materiale unico. Anche, è molto impegnativo da realizzare e ancora più difficile da realizzare senza impurità.

In un nuovo articolo pubblicato su Scienza , i ricercatori della Harvard e della Raytheon BBN Technology hanno avanzato la nostra comprensione delle proprietà di base del grafene, osservando per la prima volta gli elettroni in un metallo che si comporta come un fluido.

Per fare questa osservazione, il team ha migliorato i metodi per creare grafene ultra-pulito e ha sviluppato un nuovo modo per misurarne la conduttività termica. Questa ricerca potrebbe portare a nuovi dispositivi termoelettrici e fornire un sistema modello per esplorare fenomeni esotici come buchi neri e plasmi ad alta energia.

Questa ricerca è stata condotta da Philip Kim, professore di fisica e fisica applicata presso la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).

Una super autostrada elettronica

Nell'ordinario, metalli tridimensionali, gli elettroni difficilmente interagiscono tra loro. Ma il grafene è bidimensionale, la struttura a nido d'ape agisce come un'autostrada elettronica in cui tutte le particelle devono viaggiare nella stessa corsia. Gli elettroni nel grafene agiscono come oggetti relativistici senza massa, alcuni con carica positiva e alcuni con carica negativa. Si muovono a una velocità incredibile, 1/300 della velocità della luce, e si prevede che si scontrino tra loro dieci trilioni di volte al secondo a temperatura ambiente. Queste intense interazioni tra particelle di carica non sono mai state osservate prima in un metallo ordinario.

Il team ha creato un campione ultra-pulito inserendo il foglio di grafene spesso un atomo tra decine di strati di un cristallo trasparente perfettamente isolante elettricamente con una struttura atomica simile al grafene.

"Se hai un materiale dello spessore di un atomo, sarà davvero influenzato dal suo ambiente, " disse Jesse Crossno, uno studente laureato nel Kim Lab e primo autore del documento. "Se il grafene è sopra qualcosa di ruvido e disordinato, interferirà con il movimento degli elettroni. È davvero importante creare grafene senza interferenze dal suo ambiente".

La tecnica è stata sviluppata da Kim e dai suoi collaboratori alla Columbia University prima di trasferirsi ad Harvard nel 2014 e ora è stata perfezionata nel suo laboratorio al SEAS.

Prossimo, il team ha creato una sorta di zuppa termica di particelle caricate positivamente e negativamente sulla superficie del grafene, e osservò come quelle particelle fluissero sotto forma di correnti termiche ed elettriche.

Ciò che osservavano andava contro tutto ciò che sapevano sui metalli.

Un buco nero su un chip

La maggior parte del nostro mondo, come scorre l'acqua (idrodinamica) o come si curva una palla curva, è descritta dalla fisica classica. Cose molto piccole, come gli elettroni, sono descritti dalla meccanica quantistica mentre cose molto grandi e molto veloci, come le galassie, sono descritti dalla fisica relativistica, pioniere di Albert Einstein.

Combinare queste leggi della fisica è notoriamente difficile, ma ci sono esempi estremi in cui si sovrappongono. I sistemi ad alta energia come supernove e buchi neri possono essere descritti collegando le teorie classiche dell'idrodinamica con le teorie della relatività di Einstein.

Ma è difficile condurre un esperimento su un buco nero. Inserisci il grafene.

Quando le particelle fortemente interagenti nel grafene sono state guidate da un campo elettrico, si comportavano non come singole particelle ma come un fluido che potrebbe essere descritto dall'idrodinamica.

"Invece di osservare come una singola particella è stata influenzata da una forza elettrica o termica, potevamo vedere l'energia conservata mentre scorreva attraverso molte particelle, come un'onda nell'acqua, " disse Crossno.

"La fisica che abbiamo scoperto studiando i buchi neri e la teoria delle stringhe, stiamo vedendo nel grafene, " ha detto Andrea Luca, co-autore e studente laureato con Subir Sachdev, l'Herchel Smith Professore di Fisica ad Harvard. "Questo è il primo sistema modello di idrodinamica relativistica in un metallo".

Andando avanti, un piccolo chip di grafene potrebbe essere usato per modellare il comportamento simile a un fluido di altri sistemi ad alta energia.

Implicazioni industriali

Quindi ora sappiamo che gli elettroni che interagiscono fortemente nel grafene si comportano come un liquido:in che modo questo fa avanzare le applicazioni industriali del grafene?

Primo, per osservare il sistema idrodinamico, il team aveva bisogno di sviluppare un modo preciso per misurare quanto bene gli elettroni nel sistema trasportano il calore. È molto difficile da fare, ha detto il co-PI Dr. Kin Chung Fong, scienziato con Raytheon BBN Technology.

I materiali conducono il calore in due modi:attraverso vibrazioni nella struttura atomica o reticolo; e trasportato dagli elettroni stessi.

"Dovevamo trovare un modo intelligente per ignorare il trasferimento di calore dal reticolo e concentrarci solo su quanto calore viene trasportato dagli elettroni, " Ha detto Fong.

Fare così, la squadra si è rivolta al rumore. A temperatura finita, gli elettroni si muovono in modo casuale:maggiore è la temperatura, più rumorosi sono gli elettroni. Misurando la temperatura degli elettroni con tre punti decimali, il team è stato in grado di misurare con precisione la conduttività termica degli elettroni.

"Convertire l'energia termica in corrente elettrica e viceversa è notoriamente difficile con i materiali ordinari, " disse Lucas. "Ma in linea di principio, con un campione pulito di grafene potrebbe non esserci limite alla qualità di un dispositivo che potresti realizzare."