Grafeen gaat de wereld veranderen - dat is ons verteld.

Sinds de ontdekking tien jaar geleden, wetenschappers en tech-goeroes hebben grafeen geprezen als het wondermateriaal dat silicium in elektronica zou kunnen vervangen, de efficiëntie van batterijen verhogen, de duurzaamheid en geleidbaarheid van aanraakschermen en de weg vrijmaken voor goedkope thermische elektrische energie, onder vele andere dingen.

Het is een atoom dik, sterker dan staal, harder dan diamant en een van de meest geleidende materialen op aarde.

Maar, verschillende uitdagingen moeten worden overwonnen voordat grafeenproducten op de markt worden gebracht. Wetenschappers proberen nog steeds de basisfysica van dit unieke materiaal te begrijpen. Ook, het is een hele uitdaging om te maken en nog moeilijker om te maken zonder onzuiverheden.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Wetenschap , onderzoekers van de Harvard en Raytheon BBN Technology hebben ons begrip van de basiseigenschappen van grafeen vergroot, voor het eerst elektronen waarnemen in een metaal dat zich als een vloeistof gedraagt.

Om deze opmerking te maken, het team verbeterde methoden om ultraschoon grafeen te maken en ontwikkelde een nieuwe manier om de thermische geleidbaarheid ervan te meten. Dit onderzoek kan leiden tot nieuwe thermo-elektrische apparaten en een modelsysteem bieden om exotische fenomenen zoals zwarte gaten en hoogenergetische plasma's te onderzoeken.

Dit onderzoek werd geleid door Philip Kim, hoogleraar natuurkunde en toegepaste natuurkunde aan de John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).

Een elektronen supersnelweg

in gewone, driedimensionale metalen, elektronen hebben nauwelijks interactie met elkaar. Maar grafeen is tweedimensionaal, honingraatstructuur werkt als een elektronensnelweg waarin alle deeltjes in dezelfde baan moeten reizen. De elektronen in grafeen gedragen zich als massaloze relativistische objecten, sommige met positieve lading en sommige met negatieve lading. Ze bewegen met een ongelooflijke snelheid - 1/300 van de snelheid van het licht - en er is voorspeld dat ze bij kamertemperatuur tien biljoen keer per seconde met elkaar in botsing komen. Deze intense interacties tussen ladingsdeeltjes zijn nog nooit eerder waargenomen in een gewoon metaal.

Het team creëerde een ultraschoon monster door het grafeenvel van één atoom dik tussen tientallen lagen van een elektrisch isolerend perfect transparant kristal met een vergelijkbare atomaire structuur van grafeen te plaatsen.

"Als je een materiaal hebt dat één atoom dik is, het zal echt worden beïnvloed door zijn omgeving, " zei Jesse Crossno, een afgestudeerde student in het Kim Lab en eerste auteur van het artikel. "Als het grafeen bovenop iets ligt dat ruw en ongeordend is, het gaat interfereren met hoe de elektronen bewegen. Het is echt belangrijk om grafeen te maken zonder interferentie van zijn omgeving."

De techniek is ontwikkeld door Kim en zijn medewerkers aan de Columbia University voordat hij in 2014 naar Harvard verhuisde en is nu geperfectioneerd in zijn laboratorium bij SEAS.

Volgende, het team zette een soort thermische soep op van positief geladen en negatief geladen deeltjes op het oppervlak van grafeen, en observeerde hoe die deeltjes stroomden als thermische en elektrische stromen.

Wat ze zagen druiste in tegen alles wat ze wisten over metalen.

Een zwart gat op een chip

Het grootste deel van onze wereld - hoe water stroomt (hydrodynamica) of hoe een kromme bal kromt - wordt beschreven door de klassieke natuurkunde. Heel kleine dingen, zoals elektronen, worden beschreven door de kwantummechanica terwijl zeer grote en zeer snelle dingen, zoals sterrenstelsels, worden beschreven door relativistische fysica, ontwikkeld door Albert Einstein.

Het combineren van deze natuurkundige wetten is notoir moeilijk, maar er zijn extreme voorbeelden waar ze elkaar overlappen. Hoogenergetische systemen zoals supernova's en zwarte gaten kunnen worden beschreven door klassieke theorieën over hydrodynamica te koppelen aan Einsteins relativiteitstheorieën.

Maar het is moeilijk om een ​​experiment uit te voeren op een zwart gat. Voer grafeen in.

Toen de sterk op elkaar inwerkende deeltjes in grafeen werden aangedreven door een elektrisch veld, ze gedroegen zich niet als individuele deeltjes, maar als een vloeistof die door hydrodynamica kan worden beschreven.

"In plaats van te kijken hoe een enkel deeltje werd beïnvloed door een elektrische of thermische kracht, we konden de geconserveerde energie zien terwijl het door veel deeltjes stroomde, als een golf door het water, ' zei Crossno.

"Natuurkunde die we ontdekten door zwarte gaten en snaartheorie te bestuderen, we zien in grafeen, " zei Andreas Lucas, co-auteur en afgestudeerde student bij Subir Sachdev, de Herchel Smith hoogleraar natuurkunde aan Harvard. "Dit is het eerste modelsysteem van relativistische hydrodynamica in een metaal."

Vooruit gaan, een kleine chip van grafeen zou kunnen worden gebruikt om het vloeistofachtige gedrag van andere hoogenergetische systemen te modelleren.

industriële implicaties

Dus we weten nu dat sterk interagerende elektronen in grafeen zich gedragen als een vloeistof - hoe bevordert dat de industriële toepassingen van grafeen?

Eerst, om het hydrodynamische systeem te observeren, het team moest een nauwkeurige manier ontwikkelen om te meten hoe goed elektronen in het systeem warmte transporteren. Het is heel moeilijk om te doen, zei co-PI Dr. Kin Chung Fong, wetenschapper met Raytheon BBN Technology.

Materialen geleiden warmte op twee manieren:door trillingen in de atomaire structuur of het rooster; en gedragen door de elektronen zelf.

"We moesten een slimme manier vinden om de warmteoverdracht van het rooster te negeren en ons alleen te concentreren op hoeveel warmte door de elektronen wordt gedragen, ' zei Fong.

Om dit te doen, het team veranderde in lawaai. Bij eindige temperatuur, de elektronen bewegen willekeurig:hoe hoger de temperatuur, hoe luidruchtiger de elektronen. Door de temperatuur van de elektronen tot op drie decimalen nauwkeurig te meten, het team was in staat om de thermische geleidbaarheid van de elektronen nauwkeurig te meten.

"Het omzetten van thermische energie in elektrische stromen en vice versa is notoir moeilijk met gewone materialen, "zei Lucas. "Maar in principe, met een schoon monster grafeen is er misschien geen limiet aan hoe goed een apparaat je zou kunnen maken."