Los investigadores han resuelto el enigma de larga data de cómo el límite entre los granos de grafeno afecta la conductividad térmica en películas delgadas de la sustancia milagrosa, acercando a los desarrolladores un paso más a poder diseñar películas a una escala útil para enfriar dispositivos microelectrónicos y cientos de otros. aplicaciones de nanotecnología.

El estudio, por investigadores de la Universidad de Illinois en Chicago, la Universidad de Massachusetts-Amherst y la Universidad Estatal de Boise, se publica en línea en Nano letras .

Desde su descubrimiento, el grafeno, una única capa de átomos de carbono enlazados en un patrón de alambre de gallina, ha atraído un gran interés por su fenomenal capacidad para conducir calor y electricidad. Prácticamente todos los dispositivos nanotecnológicos podrían beneficiarse de la extraordinaria capacidad del grafeno para disipar el calor y optimizar la función electrónica. dice Poya Yasaei, Estudiante de postgrado en ingeniería mecánica e industrial de la UIC y primer autor del artículo.

En dos años investigación multidisciplinar, los investigadores desarrollaron una técnica para medir la transferencia de calor a través de un límite de un solo grano, y se sorprendieron al descubrir que era un orden de magnitud, diez veces más, más bajo que el valor teóricamente predicho. Luego idearon modelos informáticos que pueden explicar las sorprendentes observaciones desde el nivel atómico hasta el nivel del dispositivo.

Las películas de grafeno para aplicaciones nanotecnológicas están formadas por muchos cristales diminutos de grafeno, dice Amin Salehi-Khojin, Profesor asistente de ingeniería mecánica e industrial de la UIC e investigador principal del estudio. La producción de películas lo suficientemente grandes para un uso práctico introduce defectos en los límites entre los cristales que componen la película.

El equipo de Salehi-Khojin desarrolló un sistema experimental finamente ajustado que coloca una película de grafeno sobre una membrana de nitrato de silicio de solo cuatro millonésimas de pulgada de espesor y puede medir la transferencia de calor de un solo cristal de grafeno a otro. El sistema es sensible incluso a las perturbaciones más pequeñas, como un límite de grano a escala nanométrica, dice el coautor Reza Hantehzadeh, un ex estudiante de posgrado de la UIC que ahora trabaja en Intel.

Cuando dos cristales están perfectamente alineados, la transferencia de calor ocurre tal como lo predice la teoría. Pero si los dos cristales tienen bordes desalineados, la transferencia de calor es 10 veces menor.

Para tener en cuenta la diferencia de orden de magnitud, un equipo dirigido por Fatemeh Khalili-Araghi, Profesor asistente de física de la UIC y co-investigador principal del artículo, ideó una simulación por computadora de la transferencia de calor entre los límites de los granos a nivel atómico.

El grupo de Khalili-Araghi descubrió que cuando la computadora "construía" límites de grano con diferentes ángulos de desajuste, el límite del grano no era solo una línea, era una región de átomos desordenados. La presencia de una región desordenada afectó significativamente la tasa de transferencia de calor en su modelo de computadora y puede explicar los valores experimentales.

"Con ángulos desiguales más grandes, esta región desordenada podría ser aún más amplia o más desordenada, " ella dijo.

Para simular de manera realista los límites de grano no coincidentes y la transferencia de calor natural, era necesario modelar la síntesis de una gran área de película de grafeno, con granos creciendo y fusionándose, una simulación muy compleja, Khalili-Araghi dijo:que requería la "enorme potencia informática" del Clúster de Computación de Alto Rendimiento de la UIC.

"Con nuestra simulación podemos ver exactamente lo que está sucediendo a nivel atómico, "dijo el coautor Arman Fathizadeh, Investigador asociado postdoctoral en física de la UIC. "Ahora podemos explicar varios factores:la forma y el tamaño de los límites de grano, y el efecto del sustrato ".