(Phys.org) —Graphene, una forma de un átomo de espesor del material de carbono grafito, ha sido aclamado como un material maravilloso:fuerte, luz, casi transparente, y un excelente conductor de electricidad y calor. Pero se deben superar una serie de desafíos prácticos antes de que pueda surgir como un reemplazo del silicio y otros materiales en microprocesadores y dispositivos de energía de próxima generación.

Un desafío particular se refiere a la cuestión de cómo se pueden usar las láminas de grafeno en dispositivos reales.

"Cuando fabrica dispositivos con grafeno, tienes que apoyar el grafeno sobre un sustrato y hacerlo suprime la alta conductividad térmica del grafeno, "dijo Li Shi, profesor de ingeniería mecánica en la Universidad de Texas en Austin, cuyo trabajo está parcialmente financiado por la National Science Foundation (NSF).

La conductividad térmica es fundamental en la electrónica, especialmente cuando los componentes se encogen a nanoescala. La alta conductividad térmica es algo bueno para los dispositivos electrónicos fabricados con grafeno. Significa que el dispositivo puede difundir el calor que genera para evitar la formación de puntos calientes locales. Sin embargo, en el caso del grafeno, cuando también se utilizan los materiales de apoyo necesarios, el grafeno pierde algo de la conductividad térmica super alta que se predice para su estado idealizado cuando se suspende libremente en el vacío.

En un artículo publicado en septiembre de 2013 en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , Shi, junto con el asistente de investigación graduado Mir Mohammad Sadeghi y el becario postdoctoral Insun Jo, diseñó un experimento para observar los efectos de la conductividad térmica cuando se incrementaba el grosor del grafeno soportado sobre una capa de vidrio amorfo.

Observaron que la conductividad térmica aumentaba a medida que aumentaba el número de capas de una sola capa de un átomo a un grosor de 34 capas. Sin embargo, incluso a 34 capas, la conductividad térmica no se había recuperado hasta el punto en que era tan alta como el grafito a granel, que es un excelente conductor de calor.

Estos hallazgos están llevando a Shi y otros a explorar formas novedosas de apoyar o conectar el grafeno con el mundo macroscópico. incluyendo estructuras de espuma tridimensionales interconectadas de grafeno y grafito ultrafino, o el uso de nitruro de boro hexagonal, que tiene casi la misma estructura cristalina que el grafeno.

"Uno de nuestros objetivos es utilizar grafeno y otros materiales en capas para fabricar dispositivos electrónicos flexibles, "Shi explicó." Y esos dispositivos se fabricarán en sustratos de plástico, que son flexibles, pero también tienen una conductividad térmica muy baja. Cuando corres corriente a través de los dispositivos, muchos de ellos fallan. El calor no se puede disipar de forma eficaz, por lo que se calienta mucho y simplemente derrite el sustrato ".

Derretir no es el único problema. A medida que las temperaturas suben, el sustrato de polímero flexible puede convertirse en un material fundido y similar al caucho que rompe los materiales electrónicos construidos en la parte superior y hace que los pequeños cables conductores de los dispositivos electrónicos fallen fácilmente.

"En general, un chip caliente no es bueno para los dispositivos, "Dijo Shi." Los transistores cambiarán más lento y requerirán más potencia ".

Shi ha estado explorando las propiedades físicas de los materiales basados ​​en grafeno durante más de una década. Fue coautor de un artículo de 2001 en Cartas de revisión física que informó la primera medición de alta conductividad térmica en nanotubos de carbono individuales, un primo del grafeno. También fue coautor de un artículo de 2010 en Ciencias que proporcionó información crítica sobre la conductividad térmica y el transporte térmico en grafeno de una sola capa soportado sobre un sustrato.

Shi está tratando de responder preguntas fundamentales sobre cómo los fonones (las vibraciones de los átomos en los sólidos) transportan el calor. Los fonones son como electrones o fotones (partículas de luz), en que llevan energía térmica. Sin embargo, se sabe mucho menos acerca de los fonones porque sus efectos son menos evidentes a la macroescala en la que vivimos.

"Este estudio fundamental nos permitió comprender la física intrínseca de la dispersión de ondas reticulares, "Dijo Shi.

Los experimentos de Shi le permitieron a su equipo inferir cómo los fonones se dispersan en función del grosor de las capas de grafeno. basado en observaciones de cómo variaba la conductividad térmica con diferentes números de capas.

Para recopilar estas ideas, su equipo realizó cálculos teóricos utilizando la supercomputadora Stampede en el Centro de Computación Avanzada de Texas (TACC) en la Universidad de Texas en Austin. Stampede está financiado por la National Science Foundation (NSF) a través del premio ACI-1134872.

Las simulaciones los llevaron a comprender mejor sus resultados experimentales.

"Para comprender realmente la física, debe incluir cálculos teóricos adicionales. Por eso usamos las supercomputadoras en TACC, "Dijo Shi." Cuando haces un experimento, ves una tendencia, pero sin hacer los cálculos, realmente no sabes lo que significa. La combinación de los dos es muy poderosa. Si solo hace uno sin hacer el otro, es posible que no desarrolle la comprensión necesaria ".

La mayoría de los sistemas térmicos que se utilizan en la actualidad se basan en tecnologías heredadas, según Shi. El cobre y el aluminio sirven como materiales disipadores de calor en las computadoras; las sales fundidas y la cera de parafina se utilizan como medio de almacenamiento de energía en los dispositivos de almacenamiento térmico; y realizar conversión termoeléctrica para la recuperación de calor residual, utilizamos materiales como el telururo de bismuto o el telururo de plomo que contienen elementos que no son abundantes en la corteza terrestre ni son respetuosos con el medio ambiente.

"Estamos realmente limitados por los materiales, "Dijo Shi." ¿Podemos encontrar materiales más efectivos para reemplazar las interconexiones de cobre y los disipadores de calor de cobre? o reemplazar transistores de silicio? ¿Podemos desarrollar aisladores térmicamente estables para aplicaciones como la protección contra incendios? Creo que en 10 años se descubrirán e implementarán nuevos materiales para reemplazar estas tecnologías heredadas ".

Recientemente, Shi ha estado explorando cómo el grafeno multicapa puede recuperar parte de la alta conductividad térmica que se pierde cuando el grafeno se coloca sobre un sustrato de vidrio. y también buscando otros materiales cristalinos para soportar el grafeno

Shi y su equipo están experimentando y modelando nuevos soportes dieléctricos, como el nitruro de boro, que tiene una estructura cristalina comparable al grafeno. La esperanza es que su estructura cristalina similar conduzca a una mejor conductividad térmica y menos dispersión de fonones cuando se utilicen para soportar grafeno. En un artículo reciente en Letras físicas aplicadas , El equipo de Shi y Steve Cronin en la Universidad del Sur de California informaron sobre su investigación del transporte térmico a través de una interfaz grafeno / boro-nitruro

Los resultados sugieren la importancia de mejorar la calidad de la interfaz para aumentar la conductancia de la interfaz.

Otra línea de investigación de Shi analiza los materiales para el almacenamiento de energía térmica. Escribiendo en la edición de diciembre de 2013 de la revista Ciencias de la energía y el medio ambiente , El equipo de Shi demostró que las espumas de grafeno ultrafinas se pueden utilizar para aumentar la capacidad de potencia de los dispositivos de almacenamiento térmico aumentando la velocidad a la que se puede cargar y descargar calor en los materiales de cambio de fase utilizados para almacenar la energía térmica.

"La mayor estabilidad del ciclo térmico, y la aplicabilidad a una amplia gama de materiales de cambio de fase sugiere que los compuestos de espuma de grafito ultradelgados son una ruta prometedora para lograr los objetivos de alta capacidad de potencia de una serie de aplicaciones de almacenamiento térmico, incluida la calefacción y refrigeración de edificios y vehículos, cosecha solar térmica, y gestión térmica del almacenamiento de energía electroquímica y dispositivos electrónicos, "dijo Michael Pettes, profesor de ingeniería mecánica en la Universidad de Connecticut y coautor del artículo.

"Es el trabajo fundamental de Shi en materiales a nanoescala, incluido el grafeno, el que ha guiado el diseño de materiales escalables que pueden beneficiarse de la nanoestructuración y proporcionar beneficios sociales posiblemente revolucionarios". "Dijo Pettes.

El hilo conductor de toda esta investigación es el desarrollo de una comprensión de cómo los portadores de energía fundamentales, incluyendo electrones, fotones, fonones y moléculas, son transportados y acoplados entre sí en materiales.

"El profesor Shi ha sido pionero en el trabajo sobre las mediciones del transporte de fonones a nanoescala y ha realizado mediciones en una variedad de sistemas a nanoescala, "dijo Sumant Acharya, oficial de programa en el Programa de Procesos de Transporte Térmico de la NSF. "Fue uno de los primeros en informar de mediciones que muestran el importante efecto de un sustrato en la reducción de la conductividad térmica en el grafeno".

La NSF también ha apoyado a Shi en el desarrollo de materiales termoeléctricos de siliciuro de bajo costo con la intención de fomentar el desarrollo de la recuperación de calor residual basada en termoeléctricas de los automóviles.

"El profesor Shi es un líder en el campo del transporte de calor a nanoescala, and I am pleased that the NSF has been able to support many of Professor Shi's groundbreaking research, " Acharya said.

Despite a long history exploring and designing with the material, Shi doesn't claim graphene will always be superior to other materials.

"It has exciting prospects for applications, " he said. "And there's great physics involved."