[ad_1]
Utilizando la dispersión de cuatro fotones, los investigadores de la Universidad Purdue descubrieron que las propiedades térmicas del grafeno pueden no ser tan innovadoras como se pensaba inicialmente.
![Estructura atómica del grafeno, ilustración 3D. El grafeno es un alótropo de carbono compuesto por una sola capa de átomos dispuestos en una nanoestructura de red de panal de una sola capa.](https://d1otjdv2bf0507.cloudfront.net/images/news/ImageForNews_40546_17012666317591674.jpg)
Crédito de la foto: Kateryna Kon/Shutterstock.com
El grafeno es el primer material bidimensional creado por humanos. Es básicamente una capa de carbono de un átomo de espesor. 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
Se dice que el grafeno, por ejemplo, conduce la electricidad mejor que cualquier otra sustancia conocida por la ciencia y es conocido por su resistencia material. Los investigadores del transporte de calor también lo llamaron el mejor conductor del calor.
El diamante solía considerarse el material con mayor conductividad térmica. Este es el material que puede transferir más calor y más rápido. Pero cuando el grafeno salió al mercado, los principales estudios demostraron que era mucho mejor que el diamante.
Zherui Han, Ph.D. estudiante, Universidad Purdue
Watt por metro por Kelvin es la unidad para medir la conductividad térmica. Existe un consenso generalizado de que el diamante tiene una conductividad térmica de alrededor de 2000 en esta escala. Sin embargo, las primeras estimaciones de la conductividad térmica del grafeno excedían los 5.000 cuando los científicos comenzaron a estudiarlo. Científicos como Ruan, que estudian la transferencia de calor, quedaron fascinados.
Ruán añadió: “Sin embargo, mediciones y modelos experimentales posteriores han refinado la conductividad térmica del grafeno. Estudios recientes han estimado que el número es de alrededor de 3.000, lo que sigue siendo significativamente mejor que el diamante. Pero encontramos algo completamente diferente.«
A temperatura ambiente, el grupo de Ruan predice que la conductividad térmica del grafeno será de 1.300 W/(m·K), que es menor que la del diamante y la materia prima del grafito a partir del cual se forma el grafeno.
Por la importancia y actualidad de su descubrimiento, se publicó como carta. Examen físico B.
La diferencia entre su trabajo y trabajos 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 propuso una teoría universal de la dispersión de cuatro fonones, que midieron con éxito un año después. Esto llevó a Ruan a recibir el más alto honor de la Sociedad Internacional de Fonética 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, lo que teóricamente haría que el grafeno fuera mucho más conductor térmicamente que los materiales a granel. Pero la dispersión de cuatro fonones no está limitada por la naturaleza bidimensional del grafeno; De hecho, el efecto es bastante fuerte. Nuestro trabajo ha demostrado que la dispersión de cuatro fonones se convierte en el canal de dispersión líder en grafeno frente a la dispersión de tres fonones. Este es un resultado notableHan explicó.
Un obstáculo para este descubrimiento fue la falta de potencia informática pura. Este cálculo de dispersión de cuatro fonones requirió un método de computación paralela que utilizó efectivamente un grupo de computación con un terabyte de memoria. Esto se logró en el Centro Rosen de Computación Avanzada de la Universidad Purdue.
Estos cálculos son actualmente todos teóricos. Actualmente, el equipo está trabajando con el profesor Li Shi de la Universidad de Texas en Austin para validar los resultados de forma experimental, con financiación de la Fundación Nacional de Ciencias. Las mediciones gráficas anteriores tenían importantes barras de error que debían reducirse para validar su teoría. También quieren predecir la conductividad térmica del grafeno con múltiples capas atómicas en lugar de solo una.
Ruan explicó además: “Sin validaciones experimentales, sabemos que la comunidad se mostrará escéptica ante esta predicción no convencional. Nos encontramos con el mismo escepticismo en 2017 cuando predijimos aspectos similares del arseniuro de boro. Afortunadamente, esta predicción fue confirmada un año después por tres importantes experimentos. 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 se aplique al grafeno. Estamos haciendo que nuestro software sea de código abierto para que otros científicos puedan probar la teoría de los cuatro fonones.«
Zherui Han publicó un estudio en GitHub que describe el uso de su solucionador de conductividad térmica de cuatro fonones. Cualquier científico de transferencia de calor que desee realizar un estudio similar está invitado a utilizar el software.
Han añadió además: “Como 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, nuestro trabajo es descubrir si esta parte es cierta. El grafeno sigue siendo un buen conductor del calor, pero nuestro trabajo sugiere que no es mejor que el diamante.«
“Siempre digo: las excepciones son la forma en que avanza la ciencia. Somos cautelosamente optimistas sobre nuestros resultados. Esperamos utilizar la dispersión de cuatro fonones para proporcionar evaluaciones teóricas mucho más precisas de estos materiales en el futuro.“Concluyó Ruan.
La Fundación Nacional de Ciencias (Subvenciones Nos. 2015946 y 2321301) financió 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. Examen físico B. doi:10.1103/PhysRevB.108.L121412
Fuente: http://www.purdue.edu
[ad_2]