Il calore viaggia attraverso fogli di stagno sottili come un atomo in un modo molto insolito, I ricercatori di A*STAR hanno scoperto. La scoperta potrebbe aiutare a sviluppare applicazioni per il materiale, compresa la refrigerazione termoelettrica o la produzione di energia.

Grafene, uno strato di carbonio dello spessore di un solo atomo, è stato isolato per la prima volta nel 2004. Da allora, i ricercatori hanno creato una pletora di altri analoghi "2D" del grafene utilizzando atomi diversi. Stanene, con i suoi atomi di stagno disposti in un motivo esagonale leggermente ondulato (vedi immagine), arrivato nel 2015. Hangbo Zhou e i colleghi dell'A*STAR Institute of High Performance Computing hanno ora studiato come questo cugino del grafene conduce il calore.

Nei materiali solidi, il calore è generalmente trasportato da elettroni o tramite vibrazioni tra atomi. Mentre queste vibrazioni viaggiano attraverso il materiale, si comportano piuttosto come una particella, noto come fonone. A temperatura ambiente, il grafene conduce principalmente il calore con i fononi, mentre i metalli si basano in gran parte sugli elettroni. Ma nello stano, l'equilibrio tra questi due meccanismi era sconosciuto.

Il team di A*STAR ha calcolato la conduzione termica di fononi ed elettroni in stanene a varie temperature, e ha scoperto che lo stanene ha una conduzione termica dei fononi molto più bassa del grafene. Infatti, a temperatura ambiente, la conduzione termica dell'elettrone in stanene è più o meno la stessa della sua conduzione fononica.

Hanno anche scoperto che lo stanene si discosta dalla legge di Wiedemann-Franz, che afferma che la conduzione termica degli elettroni dipende dalla temperatura e dalla conduttività elettrica del materiale. in stano, però, il contributo della conduzione termica degli elettroni al trasferimento di calore complessivo dipende anche dal "potenziale chimico" del materiale, una misura di quanta energia è necessaria per aggiungere un altro elettrone al materiale. In modo cruciale, i ricercatori hanno scoperto che il potenziale chimico influisce anche sul trasporto termico degli elettroni nel grafene e in alcuni altri materiali 2-D.

I sorprendenti risultati potrebbero rendere lo stanene utile nei dispositivi termoelettrici, in cui un gradiente di temperatura crea una tensione tra due parti di un materiale, o vice versa.

"La legge di Wiedemann-Franz è uno dei maggiori fattori che limita l'efficienza termoelettrica dei conduttori, " dice Zhou. "La violazione della legge può fornire un percorso alternativo per ottenere materiali termoelettrici ad alta efficienza".

I calcoli suggeriscono che le proprietà di trasporto termico dello stanene potrebbero essere regolate alterando il suo potenziale chimico, Aggiunge, ad esempio aggiungendo tracce di altri atomi.

Il team ora spera di calcolare l'efficienza con cui lo stanene può generare energia termoelettrica, e la dimensione della tensione generata da una differenza di temperatura nel materiale.