El grafeno va a cambiar el mundo, o eso nos han dicho.

Desde su descubrimiento hace una década, Los científicos y los gurús de la tecnología han aclamado al grafeno como el material maravilloso que podría reemplazar al silicio en la electrónica. aumentar la eficiencia de las baterías, la durabilidad y conductividad de las pantallas táctiles y allanar el camino para la energía eléctrica térmica barata, entre muchas otras cosas.

Tiene un átomo de espesor más fuerte que el acero, más duro que el diamante y uno de los materiales más conductores de la tierra.

Pero, Se deben superar varios desafíos antes de que los productos de grafeno salgan al mercado. Los científicos todavía están tratando de comprender la física básica de este material único. También, es muy difícil de hacer y aún más difícil de hacer sin impurezas.

En un nuevo artículo publicado en Ciencias , investigadores de Harvard y Raytheon BBN Technology han avanzado nuestra comprensión de las propiedades básicas del grafeno, observando por primera vez electrones en un metal comportándose como un fluido.

Para hacer esta observación, el equipo mejoró los métodos para crear grafeno ultralimpio y desarrolló una nueva forma de medir su conductividad térmica. Esta investigación podría conducir a nuevos dispositivos termoeléctricos, así como proporcionar un sistema modelo para explorar fenómenos exóticos como agujeros negros y plasmas de alta energía.

Esta investigación fue dirigida por Philip Kim, profesor de física y física aplicada en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson (SEAS).

Una supercarretera de electrones

En ordinario, metales tridimensionales, los electrones apenas interactúan entre sí. Pero el grafeno es bidimensional, La estructura alveolar actúa como una superautopista de electrones en la que todas las partículas tienen que viajar en el mismo carril. Los electrones del grafeno actúan como objetos relativistas sin masa, algunos con carga positiva y otros con carga negativa. Se mueven a una velocidad increíble (1/300 de la velocidad de la luz) y se prevé que colisionen entre sí diez billones de veces por segundo a temperatura ambiente. Estas intensas interacciones entre las partículas de carga nunca antes se habían observado en un metal ordinario.

El equipo creó una muestra ultra limpia intercalando la hoja de grafeno de un átomo de espesor entre decenas de capas de un cristal transparente perfecto eléctricamente aislante con una estructura atómica similar al grafeno.

"Si tiene un material de un átomo de espesor, se verá realmente afectado por su entorno, "dijo Jesse Crossno, estudiante de posgrado en Kim Lab y primer autor del artículo. "Si el grafeno está encima de algo que es áspero y desordenado, va a interferir con la forma en que se mueven los electrones. Es realmente importante crear grafeno sin interferencias de su entorno ".

La técnica fue desarrollada por Kim y sus colaboradores en la Universidad de Columbia antes de mudarse a Harvard en 2014 y ahora se ha perfeccionado en su laboratorio en SEAS.

Próximo, el equipo instaló una especie de sopa térmica de partículas cargadas positivamente y negativamente en la superficie del grafeno, y observó cómo esas partículas fluían como corrientes térmicas y eléctricas.

Lo que observaron fue en contra de todo lo que sabían sobre metales.

Un agujero negro en un chip

La mayor parte de nuestro mundo, cómo fluye el agua (hidrodinámica) o cómo se curva una bola curva, es descrito por la física clásica. Cosas muy pequeñas como electrones, son descritos por la mecánica cuántica mientras que cosas muy grandes y muy rápidas, como galaxias, son descritos por la física relativista, iniciado por Albert Einstein.

Combinar estas leyes de la física es notoriamente difícil, pero hay ejemplos extremos en los que se superponen. Los sistemas de alta energía como las supernovas y los agujeros negros se pueden describir vinculando las teorías clásicas de la hidrodinámica con las teorías de la relatividad de Einstein.

Pero es difícil realizar un experimento en un agujero negro. Introduzca el grafeno.

Cuando las partículas que interactúan fuertemente en el grafeno fueron impulsadas por un campo eléctrico, no se comportaron como partículas individuales, sino como un fluido que podría describirse mediante hidrodinámica.

"En lugar de observar cómo una sola partícula se ve afectada por una fuerza eléctrica o térmica, pudimos ver la energía conservada mientras fluía a través de muchas partículas, como una ola en el agua, "dijo Crossno.

"La física que descubrimos mediante el estudio de los agujeros negros y la teoría de cuerdas, que estamos viendo en el grafeno, "dijo Andrew Lucas, coautor y estudiante de posgrado con Subir Sachdev, el Profesor Herchel Smith de Física en Harvard. "Este es el primer sistema modelo de hidrodinámica relativista en un metal".

Avanzando Se podría usar un pequeño chip de grafeno para modelar el comportamiento fluido de otros sistemas de alta energía.

Implicaciones industriales

Así que ahora sabemos que los electrones que interactúan fuertemente en el grafeno se comportan como un líquido. ¿Cómo avanza eso en las aplicaciones industriales del grafeno?

Primero, para observar el sistema hidrodinámico, el equipo necesitaba desarrollar una forma precisa de medir qué tan bien los electrones en el sistema transportan el calor. Es muy dificil de hacer dijo el co-investigador principal, el Dr. Kin Chung Fong, científico con Raytheon BBN Technology.

Los materiales conducen el calor de dos formas:a través de vibraciones en la estructura atómica o enrejado; y transportado por los propios electrones.

"Necesitábamos encontrar una forma inteligente de ignorar la transferencia de calor de la red y centrarnos solo en la cantidad de calor que transportan los electrones, "Dijo Fong.

Para hacerlo el equipo se convirtió en ruido. A temperatura finita, los electrones se mueven aleatoriamente:cuanto mayor es la temperatura, cuanto más ruidosos son los electrones. Midiendo la temperatura de los electrones con tres decimales, el equipo pudo medir con precisión la conductividad térmica de los electrones.

"Convertir la energía térmica en corrientes eléctricas y viceversa es muy difícil con materiales ordinarios, "dijo Lucas." Pero en principio, con una muestra limpia de grafeno, puede que no haya límites en cuanto a lo bueno que podría hacer un dispositivo ".