Ricercatori presso la Chalmers University of Technology, Svezia, hanno sviluppato una pellicola assemblata al grafene che ha una conduttività termica superiore di oltre il 60% rispetto alla pellicola di grafite, nonostante il fatto che la grafite sia semplicemente costituita da molti strati di grafene. Il film di grafene mostra un grande potenziale come nuovo materiale per la diffusione del calore per l'elettronica guidata dal fattore di forma e altri sistemi ad alta potenza.

Fino ad ora, gli scienziati della comunità di ricerca sul grafene hanno ipotizzato che il film assemblato al grafene non possa avere una conduttività termica maggiore rispetto al film di grafite. Il grafene a strato singolo ha una conduttività termica compresa tra 3500 e 5000 W/mK. Se metti insieme due strati di grafene, poi diventa teoricamente grafite, poiché il grafene è solo uno strato di grafite.

Oggi, pellicole di grafite, che sono praticamente utili per la dissipazione e la diffusione del calore nei telefoni cellulari e altri dispositivi di alimentazione, hanno una conduttività termica fino a 1950 W/mK. Perciò, il film assemblato al grafene non dovrebbe avere una conduttività termica superiore a questa.

I ricercatori della Chalmers University of Technology hanno recentemente cambiato questa situazione. Hanno scoperto che la conduttività termica del film assemblato di grafene può raggiungere fino a 3200 W/mK, che è oltre il 60 percento superiore alle migliori pellicole di grafite.

Il professor Johan Liu e il suo gruppo di ricerca lo hanno fatto attraverso un attento controllo sia della dimensione dei grani che degli ordini di sovrapposizione degli strati di grafene. L'elevata conducibilità termica è il risultato della grande granulometria, alta planarità, e debole energia di legame interstrato degli strati di grafene. Con queste importanti caratteristiche, fononi, il cui movimento e vibrazione determinano le prestazioni termiche, può muoversi più velocemente negli strati di grafene piuttosto che interagire tra gli strati, determinando così una maggiore conduttività termica.

"Questo è davvero un grande passo avanti scientifico, e può avere un grande impatto sulla trasformazione dell'attuale industria manifatturiera dei film di grafite", dice Johan Liu.

Per di più, i ricercatori hanno scoperto che il film di grafene ha una resistenza alla trazione meccanica quasi tre volte superiore rispetto al film di grafite, raggiungendo i 70 MPa.

"Con i vantaggi della conduttività termica ultraelevata, e magro, flessibile, e strutture robuste, il film di grafene sviluppato mostra un grande potenziale come nuovo materiale per la diffusione del calore per la gestione termica dell'elettronica guidata dal fattore di forma e altri sistemi ad alta potenza", dice Johan Liu.

Come conseguenza della miniaturizzazione e dell'integrazione senza fine, le prestazioni e l'affidabilità dei moderni dispositivi elettronici e di molti altri sistemi ad alta potenza sono fortemente minacciate da gravi problemi di dissipazione termica.

"Per affrontare il problema, i materiali di diffusione del calore devono ottenere proprietà migliori quando si tratta di conduttività termica, spessore, flessibilità e robustezza, per adattarsi alla natura complessa e altamente integrata dei sistemi energetici", dice Johan Liu. "Materiali di conducibilità termica disponibili in commercio, come il rame, alluminio, e pellicola di grafite artificiale, non soddisferà più e non soddisferà più queste richieste".

L'IP del processo di produzione di alta qualità per il film di grafene appartiene a SHT Smart High Tech AB, una società spin-off di Chalmers, che si concentrerà sulla commercializzazione della tecnologia.

Il metodo di produzione del film di grafene si basa sulla simultanea formazione e riduzione del film di ossido di grafene, su supporto di alluminio, separazione del film a bolle a secco, seguito da trattamento ad alta temperatura e pressatura meccanica. Queste condizioni consentono la formazione del film di grafene con granulometria grande, buon allineamento atomico, struttura a film sottile, e bassa energia di legame tra gli strati. Tutte queste caratteristiche hanno un grande vantaggio per il trasferimento sia di fononi diffusivi ad alta frequenza che di fononi balistici a bassa frequenza, e quindi portare al miglioramento della conduttività termica nel piano del film di grafene. I fononi sono particelle quantistiche che descrivono la conduttività termica di un materiale.

La carta, "Personalizzazione delle proprietà termiche e meccaniche del film di grafene mediante l'ingegneria strutturale, " è pubblicato online sulla rivista scientifica Piccolo .