Wetenschappers van het Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) in Mainz en de National University of Singapore hebben bevestigd dat de thermische geleidbaarheid van grafeen afwijkt van de grootte van de monsters. Deze ontdekking daagt de fundamentele wetten van warmtegeleiding voor uitgebreide materialen uit.

Davide Donadio, hoofd van een Max Planck Research Group bij de MPI-P, en zijn partner uit Singapore wisten dit fenomeen met computersimulaties te voorspellen en in experimenten te verifiëren. Hun onderzoek en hun resultaten zijn nu gepresenteerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurcommunicatie .

"We herkenden mechanismen van warmteoverdracht die in feite in tegenspraak zijn met de wet van Fourier op micrometerschaal. Nu moeten alle eerdere experimentele metingen van de thermische geleidbaarheid van grafeen opnieuw worden geïnterpreteerd. Het concept van thermische geleidbaarheid als intrinsieke eigenschap geldt niet voor grafeen, tenminste voor patches zo groot als enkele micrometers", zegt Davide Donadio.

Zijn materiële constanten toch veranderbaar?

De Franse natuurkundige Joseph Fourier had de wetten van de warmtevoortplanting in vaste stoffen gepostuleerd. Overeenkomstig, thermische geleidbaarheid is een intrinsieke materiaaleigenschap die normaal onafhankelijk is van grootte of vorm. in grafeen, een tweedimensionale laag koolstofatomen, dat is niet het geval, zoals onze wetenschappers nu ontdekten. Met experimenten en computersimulaties, ze ontdekten dat de thermische geleidbaarheid logaritmisch toeneemt als een functie van de grootte van de grafeenmonsters:d.w.z. hoe langer de grafeenpatches, hoe meer warmte er per lengte-eenheid kan worden overgedragen.

Dit is een andere unieke eigenschap van dit veelgeprezen wondermateriaal dat grafeen is:het is chemisch zeer stabiel, flexibel, honderd keer scheurvaster dan staal en tegelijkertijd zeer licht. Grafeen stond al bekend als een uitstekende warmtegeleider:de nieuwigheid hier is dat de thermische geleidbaarheid, die tot dusver als een materiële constante werd beschouwd, varieert naarmate de lengte van grafeen toeneemt. Na analyse van de simulaties, Davide Donadio ontdekte dat dit kenmerk voortkomt uit de combinatie van verminderde dimensionaliteit en stijve chemische binding, die ervoor zorgen dat thermische trillingen zich voortplanten met minimale dissipatie bij niet-evenwichtsomstandigheden.

Optimale koeling voor nano-elektronica

In de micro- en nano-elektronica warmte is de beperkende factor voor kleinere en efficiëntere componenten. Daarom, materialen met een vrijwel onbeperkte thermische geleidbaarheid hebben een enorm potentieel voor dit soort toepassingen. Materialen met uitstekende elektronische eigenschappen die ook zelfkoelend zijn, zoals grafeen zou kunnen zijn, zijn de droom van elke elektronica-ingenieur.

Davide Donadio, een in Italië geboren onderzoeker, al behandeld met nanostructuren van koolstof, kristallisatieprocessen en thermo-elektrische materialen tijdens zijn studie in Milaan, zijn onderzoek blijft aan de ETH Zürich (Zwitserland) en aan de Universiteit van Californië, Davis (VS). Sinds 2010, hij heeft onderzoek gedaan, onder andere, thermisch transport in nanostructuren met behulp van theoretische fysica en simulatie van het atomaire gedrag van stoffen met zijn Max Planck Research Group aan de MPI-P.