EPFL-onderzoekers hebben nieuw licht geworpen op de fundamentele mechanismen van warmteafvoer in grafeen en andere tweedimensionale materialen. Ze hebben aangetoond dat warmte zich als een golf over zeer lange afstanden kan voortplanten. Dit is belangrijke informatie voor de engineering van de elektronica van morgen.

In de race om elektronische componenten te miniaturiseren, onderzoekers worden uitgedaagd met een groot probleem:hoe kleiner of hoe sneller uw apparaat, hoe uitdagender het is om het af te koelen. Een oplossing om de koeling te verbeteren is het gebruik van materialen met een zeer hoge thermische geleidbaarheid, zoals grafeen, om de warmte snel af te voeren en zo de circuits af te koelen.

Momenteel, echter, potentiële toepassingen hebben te maken met een fundamenteel probleem:hoe plant warmte zich voort in deze vellen materiaal die niet meer dan een paar atomen dik zijn?

In een studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie , een team van EPFL-onderzoekers heeft nieuw licht geworpen op de mechanismen van thermische geleidbaarheid in grafeen en andere tweedimensionale materialen. Ze hebben aangetoond dat warmte zich voortplant in de vorm van een golf, net als geluid in de lucht. Dit was tot nu toe een zeer obscuur fenomeen dat in enkele gevallen werd waargenomen bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt. Hun simulaties bieden een waardevol hulpmiddel voor onderzoekers die grafeen bestuderen, of circuits op nanoschaal moeten worden afgekoeld, of om silicium te vervangen in de elektronica van morgen.

Quasi-verliesloze voortplanting

Als het tot nu toe moeilijk was om de verspreiding van warmte in tweedimensionale materialen te begrijpen, het is omdat deze vellen zich op onverwachte manieren gedragen in vergelijking met hun driedimensionale neven. In feite, ze zijn in staat om warmte over te dragen met zeer beperkte verliezen, zelfs bij kamertemperatuur.

Over het algemeen, warmte plant zich voort in een materiaal door de vibratie van atomen. Deze trillingen worden "fonons" genoemd, en terwijl warmte zich voortplant door een driedimensionaal materiaal, , deze fononen blijven met elkaar in botsing komen, samensmelten, of splitsen. Al deze processen kunnen de geleidbaarheid van warmte onderweg beperken. Alleen onder extreme omstandigheden, wanneer de temperatuur dicht bij het absolute nulpunt komt (-200 0C of lager), het is mogelijk om quasi-verliesloze warmteoverdracht waar te nemen.

Een golf van kwantumwarmte

De situatie is heel anders in tweedimensionale materialen, zoals aangetoond door onderzoekers van EPFL. Hun werk toont aan dat warmte zich zelfs bij kamertemperatuur zonder noemenswaardige verliezen in 2D kan voortplanten. dankzij het fenomeen golfachtige diffusie, genaamd "tweede geluid". In dat geval, alle fononen marcheren unisono samen over zeer lange afstanden. "Onze simulaties, gebaseerd op de eerste beginselen van de natuurkunde, hebben aangetoond dat atomair dunne platen van materialen zich gedragen, zelfs bij kamertemperatuur, op dezelfde manier als driedimensionale materialen bij extreem lage temperaturen", zegt Andrea Cepellotti, de eerste auteur van de studie. "We kunnen laten zien dat het thermische transport wordt beschreven door golven, niet alleen in grafeen, maar ook in andere materialen die nog niet zijn onderzocht, " legt Cepellotti uit. "Dit is uiterst waardevolle informatie voor ingenieurs, die het ontwerp van toekomstige elektronische componenten zou kunnen exploiteren met behulp van enkele van deze nieuwe tweedimensionale materiaaleigenschappen."