Los investigadores de EPFL han arrojado nueva luz sobre los mecanismos fundamentales de disipación de calor en el grafeno y otros materiales bidimensionales. Han demostrado que el calor se puede propagar en forma de onda a distancias muy largas. Ésta es información clave para diseñar la electrónica del mañana.

En la carrera por miniaturizar componentes electrónicos, Los investigadores se enfrentan a un problema importante:cuanto más pequeño o más rápido sea su dispositivo, más difícil es enfriarlo. Una solución para mejorar la refrigeración es utilizar materiales con conductividad térmica muy alta, como el grafeno, para disipar rápidamente el calor y así enfriar los circuitos.

En este momento, sin embargo, Las aplicaciones potenciales se enfrentan a un problema fundamental:¿cómo se propaga el calor dentro de estas láminas de materiales que no tienen más de unos pocos átomos de espesor?

En un estudio publicado en Comunicaciones de la naturaleza , un equipo de investigadores de EPFL ha arrojado nueva luz sobre los mecanismos de conductividad térmica en el grafeno y otros materiales bidimensionales. Han demostrado que el calor se propaga en forma de onda, como el sonido en el aire. Este era hasta ahora un fenómeno muy oscuro observado en pocos casos a temperaturas cercanas al cero absoluto.Sus simulaciones proporcionan una herramienta valiosa para los investigadores que estudian el grafeno. si enfriar circuitos a nanoescala, o para reemplazar el silicio en la electrónica del mañana.

Propagación casi sin pérdidas

Si hasta ahora ha sido difícil comprender la propagación del calor en materiales bidimensionales, es porque estas hojas se comportan de formas inesperadas en comparación con sus primos tridimensionales. De hecho, son capaces de transferir calor con pérdidas extremadamente limitadas, incluso a temperatura ambiente.

Generalmente, el calor se propaga en un material a través de la vibración de los átomos. Estas vibraciones se denominan "fonones", y como el calor se propaga a través de un material tridimensional, , estos fonones siguen chocando entre sí, fusionándose, o partiendo. Todos estos procesos pueden limitar la conductividad del calor en el camino. Solo en condiciones extremas, cuando la temperatura se acerca al cero absoluto (-200 0C o menos), Es posible observar una transferencia de calor casi sin pérdidas.

Una ola de calor cuántico

La situación es muy diferente en materiales bidimensionales, como lo muestran los investigadores de EPFL. Su trabajo demuestra que el calor puede propagarse sin pérdidas significativas en 2D incluso a temperatura ambiente. gracias al fenómeno de la difusión ondulatoria, llamado "segundo sonido". En ese caso, todos los fonones marchan juntos al unísono en distancias muy largas. "Nuestras simulaciones, basado en la física de los primeros principios, han demostrado que las láminas de materiales atómicamente delgadas se comportan, incluso a temperatura ambiente, de la misma manera que los materiales tridimensionales a temperaturas extremadamente bajas ", dice Andrea Cepellotti, el primer autor del estudio. "Podemos demostrar que el transporte térmico se describe mediante ondas, no solo en grafeno sino también en otros materiales que aún no se han estudiado, "explica Cepellotti." Esta es una información extremadamente valiosa para los ingenieros, quién podría explotar el diseño de futuros componentes electrónicos utilizando algunas de estas nuevas propiedades de materiales bidimensionales ".