El grafeno, un material que consta de una sola capa de átomos de carbono, ha sido celebrado por muchos como la "próxima gran novedad" en la ciencia de los materiales. Pero según investigadores de la Universidad Purdue, sus propiedades térmicas pueden no ser tan revolucionarias como se pensaba anteriormente.

"El grafeno es el primer material bidimensional creado por el ser humano", afirmó Xiulin Ruan, profesor de ingeniería mecánica. "Es básicamente una capa de carbono, de un átomo de espesor. Fue descubierta por primera vez en 2004 y ganó el Premio Nobel de Física en 2010. Desde entonces, ha sido estudiada por muchos investigadores debido a sus propiedades únicas".

Por ejemplo, se dice que el grafeno conduce la electricidad mejor que cualquier otro material conocido por la ciencia y es conocido por su resistencia. Los investigadores del transporte térmico también le otorgaron rápidamente el título de mejor conductor de calor.

"Anteriormente, el material que se pensaba que tenía la mayor conductividad térmica era el diamante", dijo Zherui Han, Ph.D. estudiante en el laboratorio de Ruan. "Ese es el material que puede transferir más calor y más rápido. Pero cuando apareció el grafeno, los principales estudios demostraron que era mucho mejor que el diamante".

La conductividad térmica se mide en vatios por metro por Kelvin. En esta escala, generalmente se considera que la conductividad térmica de un diamante es de aproximadamente 2000. Pero cuando los científicos comenzaron a medir la conductividad térmica del grafeno, las primeras estimaciones alcanzaron más de 5.000. Obviamente, esto despertó el interés de científicos como Ruan, cuyas investigaciones se centran en la transferencia de calor.

"Sin embargo, las mediciones y modelos experimentales posteriores han refinado la conductividad térmica del grafeno", dijo Ruan. "Los estudios más recientes elevan la cifra a unos 3.000, lo que sigue siendo bastante mejor que el diamante. Pero encontramos algo completamente diferente."

El equipo de Ruan ha predicho que la conductividad térmica del grafeno a temperatura ambiente será de 1300 W/(m·K), no sólo menos que el diamante sino también menos que el grafito en bruto del que está hecho el grafeno.

Su investigación ha sido publicada en Physical Review B .

La disparidad entre su trabajo y el anterior se reduce a un fenómeno llamado dispersión de cuatro fonones. Los fonones son la forma en que los científicos de la transferencia de calor describen el movimiento del calor en los sólidos a nivel mecánico-cuántico. Hasta hace poco, los investigadores sólo podían entender la dispersión de tres fonones para predecir la transferencia de calor a través de sólidos.

Pero en 2016, el equipo de Ruan desarrolló una teoría general de la dispersión de cuatro fonones y un año después la cuantificaron con éxito. Esto llevó a Ruan a recibir el más alto honor de la Sociedad Internacional de Fonónica en 2023.

Entonces, ¿cómo se relaciona esto con el grafeno? "El grafeno es un material bidimensional de sólo un átomo de espesor", dijo Han.

"Estudios anteriores sugieren que la dispersión de tres fonones estaría restringida por esta bidimensionalidad, que en teoría hace que el grafeno sea mucho más conductor térmico que los materiales a granel. Pero la dispersión de cuatro fonones no está restringida por la naturaleza 2D del grafeno; de hecho, la 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".

Una barrera para este descubrimiento fue la disponibilidad de potencia informática bruta. Calcular esta dispersión de cuatro fonones requirió una estrategia de computación paralela, esencialmente utilizando un grupo de computación con un terabyte de memoria. Esto se logró en el Centro Rosen de Computación Avanzada de la Universidad Purdue.

Por el momento, estos cálculos son todos teóricos. El equipo trabaja con el profesor Li Shi de la Universidad de Texas en Austin, con el apoyo de sus subvenciones colaborativas de la Fundación Nacional de Ciencias, para verificar los hallazgos de forma experimental. Mediciones anteriores sobre grafeno han tenido grandes barras de error, que deben reducirse para verificar su teoría. También planean predecir la conductividad térmica del grafeno de múltiples capas de átomos, en lugar de solo una.

"Sin validaciones experimentales todavía, sabemos que la comunidad se mostrará escéptica acerca de esta predicción tan poco convencional", afirmó Ruan.

"Nos enfrentamos al mismo escepticismo en 2017 cuando predijimos aspectos similares del arseniuro de boro. Afortunadamente, esa predicción fue confirmada por tres experimentos importantes un año después. 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. Hacemos que nuestro software sea de código abierto para que otros científicos puedan probar la teoría de los cuatro fonones".

Zherui Han publicó su solucionador de conductividad térmica de cuatro fonones en GitHub y publicó un artículo que describe el uso del software. Cualquier científico en transferencia de calor puede utilizar el software para realizar investigaciones similares.

"Al ser el grafeno el primer material bidimensional, mucha gente pensó que era como magia", dijo Han. "Se creía que tenía todas estas propiedades superiores:térmicas, mecánicas, ópticas y eléctricas. Como investigadores térmicos, es nuestro trabajo establecer si esa parte es cierta. El grafeno sigue siendo un buen conductor de calor, pero nuestro trabajo predice que no es mejor que diamante."

"Siempre digo que las excepciones son la forma en que avanza la ciencia", dijo Ruan. "Somos cautelosamente optimistas acerca de nuestros hallazgos. Con la dispersión de cuatro fonones, esperamos poder ofrecer evaluaciones teóricas mucho más precisas de estos materiales en el futuro".

Más información: Zherui Han et al, Conductividad térmica del grafeno monocapa:convergente e inferior que el diamante, Revisión física B (2023). DOI:10.1103/PhysRevB.108.L121412

Proporcionado por la Universidad Purdue