Ciencias

Dejando las cosas claras para la conductividad térmica del grafeno

Usando dispersión de cuatro fotones, Universidad de Purdue Los investigadores han descubierto que las cualidades térmicas del grafeno pueden no ser tan innovadoras como se creía inicialmente.

Crédito de la imagen: Kateryna Kon/Shutterstock.com

El grafeno es el primer material bidimensional creado por el ser humano. Es básicamente una capa de carbono del espesor de un átomo. Fue descubierto por primera vez en 2004 y ganó el Premio Nobel de Física en 2010. Desde entonces, ha sido estudiado por muchos investigadores debido a sus propiedades únicas.

Xiulin Ruan, profesor de ingeniería mecánica, Universidad Purdue

El grafeno, por ejemplo, conduce la electricidad mejor que cualquier otra sustancia conocida por la ciencia y es conocido por la resistencia de su material. Los investigadores del transporte térmico también se apresuraron a etiquetarlo como el mejor conductor del calor.

Anteriormente, el material que se consideraba que tenía mayor conductividad térmica era el diamante. Este es el material que puede transferir más calor y más rápido. Pero cuando apareció el grafeno, importantes estudios demostraron que era mucho mejor que el diamante.

Zherui Han, estudiante de doctorado, Universidad Purdue

Watts por metro por Kelvin es la unidad utilizada para probar la conductividad térmica. El consenso generalizado es que el diamante tiene una conductividad térmica de aproximadamente 2000 en esta escala. Sin embargo, las primeras estimaciones de la conductividad térmica del grafeno excedían los 5.000 cuando los científicos comenzaron a investigarlo. Los científicos que estudian la transferencia de calor, como Ruan, quedaron intrigados por esto.

Ruán añadió: “Sin embargo, las mediciones experimentales y los modelos posteriores han refinado la conductividad térmica del grafeno. Artículos más recientes han elevado el número a alrededor de 3.000, lo que sigue siendo bastante mejor que el diamante. Pero encontramos algo completamente diferente.«

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A temperatura ambiente, el grupo de Ruan predice que la conductividad térmica del grafeno será de 1.300 W/(m·K), inferior a la del diamante y a la del grafito en bruto a partir del cual se forma el grafeno.

Debido a la importancia y actualidad de su descubrimiento, se publicó como carta en Revisión física B.

La diferencia entre su trabajo y los anteriores se debe a un fenómeno conocido como dispersión de cuatro fonones. Los expertos en transferencia de calor utilizan fonones para describir el transporte de calor en sólidos a nivel de mecánica cuántica. Hasta hace poco, los investigadores sólo podían predecir el transporte de calor a través de sólidos mediante dispersión de tres fonones.

Sin embargo, en 2016, el equipo de Ruan estableció una teoría universal de dispersión de cuatro fonones, que midieron con éxito un año después. Esto resultó en que Ruan ganara el premio más alto de la Sociedad Internacional de Fonónica en 2023.

Entonces, ¿qué tiene esto que ver con el grafeno?

El grafeno es un material bidimensional de sólo un átomo de espesor. Estudios anteriores sugieren que la dispersión de tres fonones estaría limitada por esta bidimensionalidad, que en teoría hace que el grafeno sea mucho más conductor térmico que los materiales a granel. Pero la dispersión de cuatro fonones no está restringida por la naturaleza bidimensional del grafeno; de hecho, el efecto es bastante fuerte. Nuestro trabajo demostró que la dispersión de cuatro fonones se convierte en el principal canal de dispersión del grafeno en comparación con la dispersión de tres fonones. Este es un resultado impresionante.”, afirmó Han.

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Un impedimento para este descubrimiento fue la falta de potencia informática bruta. Este cálculo de dispersión de cuatro fonones requirió un método de computación paralela, utilizando efectivamente un grupo de computación con un terabyte de memoria. Esto se logró en el Centro Rosen de Computación Avanzada de la Universidad Purdue.

Actualmente, estos cálculos son todos teóricos. Actualmente el equipo colabora con el Prof. Li Shi de la Universidad de Texas en Austin para validar experimentalmente los hallazgos, con financiación de la Fundación Nacional de Ciencias. Las mediciones anteriores de grafeno tenían importantes barras de error que debían reducirse para validar su teoría. También pretenden predecir la conductividad térmica del grafeno con varias capas atómicas, en lugar de una sola.

Ruan afirmó además: “Sin validaciones experimentales aún, sabemos que la comunidad se mostrará escéptica ante esta predicción poco convencional. Nos enfrentamos al mismo escepticismo en 2017 cuando predijimos aspectos similares del arseniuro de boro. Afortunadamente, esta predicción fue confirmada por tres importantes experimentos un año después. Desde entonces, nuestra teoría de la dispersión de cuatro fonones ha sido respaldada por cada vez más evidencia experimental, y esperamos que esta vez también sea válida para el grafeno. Hemos hecho que nuestro software sea de código abierto, para que otros científicos puedan probar la teoría de los cuatro fonones.«

Zherui Han publicó un estudio que describe el uso de su solucionador de conductividad térmica de cuatro fonones en GitHub. Cualquier científico de transferencia de calor que desee realizar un estudio comparable puede utilizar el software.

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Han añadió además: “Dado que el grafeno fue el primer material bidimensional, mucha gente pensó que era como magia. Se creía que tenía todas estas propiedades superiores: térmica, mecánica, óptica y eléctrica. Como investigadores térmicos, es nuestro trabajo establecer si esa parte es cierta. El grafeno sigue siendo un buen conductor del calor, pero nuestro trabajo predice que no es mejor que el diamante.«

Siempre digo que las excepciones son como avanza la ciencia. Somos cautelosamente optimistas acerca de nuestros hallazgos. Con la dispersión de cuatro fonones, esperamos proporcionar evaluaciones teóricas mucho más precisas de estos materiales en el futuro.”, concluyó Ruan.

La Fundación Nacional de Ciencias (Subvenciones Nos. 2015946 y 2321301) ayudó a financiar una parte de esta investigación.

Referencia de la revista:

Han, Z. y Ruan, X. (2023) Conductividad térmica del grafeno monocapa: convergente y menor que el diamante. Revisión física B. doi:10.1103/PhysRevB.108.L121412

Fuente: http://www.purdue.edu

Prudencia Febo

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