Grafeen, een materiaal dat bestaat uit een enkele laag koolstofatomen, wordt door velen gevierd als het ‘next big thing’ in de materiaalwetenschap. Maar volgens onderzoekers van Purdue University zijn de thermische eigenschappen ervan misschien niet zo revolutionair als eerder werd gedacht.

"Grafeen is het eerste tweedimensionale materiaal dat mensen ooit hebben gemaakt", zegt Xiulin Ruan, hoogleraar werktuigbouwkunde. "Het is eigenlijk een laag koolstof, één atoom dik. Het werd voor het eerst ontdekt in 2004 en won in 2010 de Nobelprijs voor de Natuurkunde. Sindsdien is het door veel onderzoekers bestudeerd vanwege zijn unieke eigenschappen."

Er wordt bijvoorbeeld gezegd dat grafeen elektriciteit beter geleidt dan enig ander materiaal dat de wetenschap kent, en staat bekend om zijn materiaalsterkte. Onderzoekers op het gebied van thermisch transport gaven het ook snel de titel van beste warmtegeleider.

"Vroeger was diamant het materiaal waarvan men dacht dat het de hoogste thermische geleidbaarheid had", zegt Zherui Han, een Ph.D. student in het laboratorium van Ruan. "Dat is het materiaal dat de meeste warmte het snelst kan overbrengen. Maar toen grafeen op de markt kwam, bleek uit reguliere onderzoeken dat het veel beter was dan diamant."

Thermische geleidbaarheid wordt gemeten in watt per meter per Kelvin. Op deze schaal wordt over het algemeen aangenomen dat de thermische geleidbaarheid van diamant ongeveer 2.000 bedraagt. Maar toen wetenschappers de thermische geleidbaarheid van grafeen begonnen te meten, bereikten vroege schattingen meer dan 5.000. Uiteraard trok dit de interesse van wetenschappers als Ruan, wiens onderzoek zich richt op warmteoverdracht.

"Vervolgens experimentele metingen en modellering hebben echter de thermische geleidbaarheid van grafeen verfijnd," zei Ruan. "Recentere kranten brachten het aantal op ongeveer 3.000, wat nog steeds behoorlijk beter is dan diamant. Maar we hebben iets heel anders gevonden."

Het team van Ruan heeft voorspeld dat de thermische geleidbaarheid van grafeen bij kamertemperatuur 1.300 W/(m·K) bedraagt ​​– niet alleen minder dan diamant, maar ook minder dan het ruwe grafietmateriaal waaruit grafeen is gemaakt.

Hun onderzoek is gepubliceerd in Physical Review B .

De ongelijkheid tussen hun werk en eerder werk komt neer op een fenomeen dat vier-fononverstrooiing wordt genoemd. Fononen zijn de manier waarop wetenschappers op het gebied van warmteoverdracht de beweging van warmte in vaste stoffen op kwantummechanisch niveau beschrijven. Tot voor kort konden onderzoekers de verstrooiing van drie fononen alleen begrijpen om de overdracht van warmte door vaste stoffen te voorspellen.

Maar in 2016 ontwikkelde het team van Ruan een algemene theorie van de verstrooiing van vier fononen, en een jaar later kwantificeerden ze met succes de verstrooiing van vier fononen. Dit leidde ertoe dat Ruan in 2023 de hoogste onderscheiding ontving van de International Phonics Society.

Hoe verhoudt dit zich tot grafeen? "Grafeen is een tweedimensionaal materiaal van slechts één atoom dik", zei Han.

"Eerdere studies suggereren dat de verstrooiing van drie fononen beperkt zou worden door deze tweedimensionaliteit, wat grafeen in theorie veel thermisch geleidender maakt dan bulkmaterialen. Maar de verstrooiing van vier fononen wordt niet beperkt door de 2D-aard van grafeen; in feite is de Het effect is behoorlijk sterk. Ons werk heeft aangetoond dat verstrooiing van vier fononen het leidende verstrooiingskanaal in grafeen wordt ten opzichte van verstrooiing van drie fononen."

Eén obstakel voor deze ontdekking was de beschikbaarheid van ruwe rekenkracht. Het berekenen van deze vier-fononverstrooiing vereiste een parallelle computerstrategie, waarbij in wezen gebruik werd gemaakt van een computercluster met één terabyte geheugen. Dit werd bereikt in het Rosen Center for Advanced Computing aan de Purdue University.

Op dit moment zijn deze berekeningen allemaal theoretisch. Het team werkt samen met prof. Li Shi van de Universiteit van Texas in Austin, ondersteund door hun gezamenlijke subsidies van de National Science Foundation, om de bevindingen experimenteel te verifiëren. Eerdere metingen aan grafeen hadden grote foutbalken, die moeten worden verkleind om hun theorie te verifiëren. Ze zijn ook van plan de thermische geleidbaarheid van grafeen van meerdere atomenlagen te voorspellen, in plaats van slechts één.

"Zonder experimentele validaties weten we dat de gemeenschap sceptisch zal zijn over deze zeer niet-reguliere voorspelling," zei Ruan.

"We werden in 2017 met hetzelfde scepticisme geconfronteerd toen we vergelijkbare aspecten van boorarsenide voorspelden. Gelukkig werd die voorspelling een jaar later bevestigd door drie belangrijke experimenten. Sindsdien wordt onze vier-fononverstrooiingstheorie ondersteund door steeds meer experimenteel bewijsmateriaal, en we hopen dat dit deze keer ook voor grafeen geldt. We maken onze software open source zodat andere wetenschappers de vierfonontheorie kunnen testen."

Zherui Han heeft zijn thermische geleidbaarheidsoplosser met vier fononen op GitHub geplaatst en een artikel gepubliceerd waarin het gebruik van de software wordt beschreven. Elke wetenschapper op het gebied van warmteoverdracht kan de software gebruiken om soortgelijk onderzoek uit te voeren.

"Grafeen was het eerste tweedimensionale materiaal en veel mensen dachten dat het magie was", zei Han. ‘Men geloofde dat het al deze superieure eigenschappen had:thermisch, mechanisch, optisch, elektrisch. Als thermische onderzoekers is het onze taak om vast te stellen of dat deel waar is. Grafeen is nog steeds een goede warmtegeleider, maar ons werk voorspelt dat het niet beter is dan diamant."

"Ik zeg altijd dat uitzonderingen bepalen hoe de wetenschap vooruitgaat", zei Ruan. "We zijn voorzichtig optimistisch over onze bevindingen. Met de verstrooiing van vier fononen hopen we in de toekomst veel nauwkeurigere theoretische beoordelingen van deze materialen te kunnen leveren."

Meer informatie: Zherui Han et al, Thermische geleidbaarheid van monolaaggrafeen:convergent en lager dan diamant, Fysieke beoordeling B (2023). DOI:10.1103/PhysRevB.108.L121412

Aangeboden door Purdue University