Il grafene, un materiale costituito da un singolo strato di atomi di carbonio, è stato celebrato da molti come la "prossima grande novità" nella scienza dei materiali. Ma secondo i ricercatori della Purdue University, le sue proprietà termiche potrebbero non essere così rivoluzionarie come si pensava.
"Il grafene è il primo materiale bidimensionale mai creato dagli esseri umani", ha affermato Xiulin Ruan, professore di ingegneria meccanica. "È fondamentalmente uno strato di carbonio, spesso un atomo. È stato scoperto per la prima volta nel 2004 e ha vinto il Premio Nobel per la fisica nel 2010. Da allora è stato studiato da molti ricercatori per le sue proprietà uniche."
Ad esempio, si dice che il grafene conduca l’elettricità meglio di qualsiasi altro materiale noto alla scienza ed è noto per la sua resistenza materiale. I ricercatori del trasporto termico si sono affrettati ad assegnargli il titolo di miglior conduttore di calore.
"In precedenza, il materiale ritenuto dotato della più alta conduttività termica era il diamante", ha affermato Zherui Han, Ph.D. studente nel laboratorio di Ruan. "Questo è il materiale che può trasferire più calore e più velocemente. Ma quando venne fuori il grafene, gli studi tradizionali dimostrarono che era molto migliore del diamante."
La conduttività termica è misurata in watt per metro per Kelvin. Su questa scala, la conduttività termica di un diamante è generalmente considerata pari a circa 2.000. Ma quando gli scienziati hanno iniziato a misurare la conduttività termica del grafene, le prime stime hanno superato i 5.000. Ovviamente, questo ha catturato l'interesse di scienziati come Ruan, la cui ricerca si concentra sul trasferimento di calore.
"Tuttavia, le successive misurazioni sperimentali e la modellazione hanno perfezionato la conduttività termica del grafene", ha affermato Ruan. "Documenti più recenti hanno portato il numero a circa 3.000, che è ancora molto meglio del diamante. Ma abbiamo trovato qualcosa di completamente diverso."
Il team di Ruan ha previsto che la conduttività termica del grafene a temperatura ambiente sarà di 1.300 W/(m K), non solo inferiore a quella del diamante ma anche inferiore alla grafite grezza da cui è composto il grafene.
La loro ricerca è stata pubblicata su Physical Review B .
La disparità tra il loro lavoro e quello precedente si riduce a un fenomeno chiamato scattering a quattro fononi. I fononi sono il modo in cui gli scienziati del trasferimento di calore descrivono il movimento del calore nei solidi a livello quantomeccanico. Fino a poco tempo fa, i ricercatori potevano comprendere solo lo scattering a tre fononi per prevedere il trasferimento di calore attraverso i solidi.
Ma nel 2016, il team di Ruan ha sviluppato una teoria generale dello scattering a quattro fononi e un anno dopo è riuscito a quantificarlo con successo. Ciò ha portato Ruan a ricevere la più alta onorificenza dalla International Phononics Society nel 2023.
Quindi, come si collega questo al grafene? "Il grafene è un materiale bidimensionale con lo spessore di un solo atomo", ha detto Han.
"Studi precedenti suggeriscono che lo scattering a tre fononi sarebbe limitato da questa bidimensionalità, che in teoria rende il grafene molto più termicamente conduttivo rispetto ai materiali sfusi. Ma lo scattering a quattro fononi non è limitato dalla natura 2D del grafene; infatti, il L'effetto è piuttosto forte. Il nostro lavoro ha dimostrato che lo scattering a quattro fononi diventa il principale canale di scattering nel grafene rispetto allo scattering a tre fononi. Questo è un risultato sorprendente."
Un ostacolo a questa scoperta era la disponibilità di potenza di calcolo grezza. Il calcolo di questa dispersione a quattro fononi richiedeva una strategia di calcolo parallelo, utilizzando essenzialmente un cluster di calcolo con un terabyte di memoria. Ciò è stato realizzato presso il Rosen Center for Advanced Computing della Purdue University.
Al momento questi calcoli sono tutti teorici. Il team lavora con il Prof. Li Shi presso l'Università del Texas ad Austin, supportato dalle sovvenzioni collaborative della National Science Foundation, per verificare sperimentalmente i risultati. Precedenti misurazioni sul grafene hanno avuto ampie barre di errore, che devono essere ridotte per verificare la loro teoria. Progettano inoltre di prevedere la conduttività termica del grafene di più strati di atomi, anziché di uno solo.
"Senza ancora convalide sperimentali, sappiamo che la comunità sarà scettica riguardo a questa previsione decisamente non convenzionale", ha affermato Ruan.
"Abbiamo dovuto affrontare lo stesso scetticismo nel 2017, quando abbiamo previsto aspetti simili dell'arseniuro di boro. Fortunatamente, tale previsione è stata confermata da tre importanti esperimenti un anno dopo. Da allora, la nostra teoria dello scattering a quattro fononi è stata supportata da sempre più prove sperimentali, e speriamo che questa volta valga anche per il grafene. Rendiamo il nostro software open source in modo che altri scienziati possano testare la teoria dei quattro fononi."
Zherui Han ha pubblicato il suo risolutore di conducibilità termica a quattro fononi su GitHub e ha pubblicato un articolo che descrive l'utilizzo del software. Qualsiasi scienziato del trasferimento di calore può utilizzare il software per condurre ricerche simili.
"Essendo il grafene il primo materiale bidimensionale, molte persone pensavano che fosse come una magia", ha detto Han. "Si credeva che avesse tutte queste proprietà superiori:termiche, meccaniche, ottiche, elettriche. Come ricercatori termici, è nostro compito stabilire se questa parte è vera. Il grafene è ancora un buon conduttore di calore, ma il nostro lavoro prevede che non sia migliore di diamante."
"Dico sempre che le eccezioni sono il modo in cui la scienza avanza", ha detto Ruan. "Siamo cautamente ottimisti riguardo ai nostri risultati. Con la diffusione a quattro fononi, speriamo di fornire valutazioni teoriche molto più accurate di questi materiali in futuro."
Ulteriori informazioni: Zherui Han et al, Conduttività termica del grafene monostrato:convergente e inferiore al diamante, Revisione fisica B (2023). DOI:10.1103/PhysRevB.108.L121412
Fornito dalla Purdue University
