Forskare har löst den långvariga gåtan om hur gränsen mellan korn av grafen påverkar värmeledningsförmågan i tunna filmer av mirakelämnet – vilket tar utvecklare ett steg närmare att kunna konstruera filmer i en skala som är användbar för att kyla mikroelektroniska enheter och hundratals andra nanoteknologiska applikationer.

Studien, av forskare vid University of Illinois i Chicago, University of Massachusetts-Amherst och Boise State University, publiceras online i Nanobokstäver .

Sedan upptäckten, grafen - ett enda lager av kolatomer kopplade i ett kycklingtrådsmönster - har väckt stort intresse för sin fenomenala förmåga att leda värme och elektricitet. Praktiskt taget alla nanotekniska enheter skulle kunna dra nytta av grafens extraordinära förmåga att avleda värme och optimera elektronisk funktion, säger Poya Yasaei, UIC doktorand i maskin- och industriteknik och första författare på tidningen.

På två år, multidisciplinär utredning, forskarna utvecklade en teknik för att mäta värmeöverföring över en enda korngräns – och blev förvånade över att finna att det var en storleksordning – hela 10 gånger – lägre än det teoretiskt förutspådda värdet. De tog sedan fram datormodeller som kan förklara de överraskande observationerna från atomnivå till enhetsnivå.

Grafenfilmer för nanotekniska applikationer består av många små grafenkristaller, säger Amin Salehi-Khojin, UIC biträdande professor i maskin- och industriteknik och huvudutredare på studien. Att producera filmer som är tillräckligt stora för praktisk användning introducerar brister vid gränserna mellan kristallerna som utgör filmen.

Salehi-Khojins team utvecklade ett finjusterat experimentsystem som lägger ner en grafenfilm på ett kiselnitratmembran endast fyra miljondelar av en tum tjockt och kan mäta värmeöverföringen från en enda grafenkristall till en annan. Systemet är känsligt för även de minsta störningar, såsom en korngräns i nanometerskala, säger medförfattaren Reza Hantehzadeh, en före detta UIC doktorand som nu arbetar på Intel.

När två kristaller är snyggt uppradade, värmeöverföring sker precis som förutspått av teorin. Men om de två kristallerna har feljusterade kanter, värmeöverföringen är 10 gånger mindre.

För att ta hänsyn till skillnaden i storleksordning, ett team ledd av Fatemeh Khalili-Araghi, UIC biträdande professor i fysik och co-rektor utredare på papper, utarbetat en datorsimulering av värmeöverföring mellan korngränser på atomnivå.

Khalili-Araghis grupp fann att när datorn "byggde" korngränser med olika vinklar, korngränsen var inte bara en linje, det var en region av oordnade atomer. Närvaron av en oordnad region påverkade värmeöverföringshastigheten i deras datormodell avsevärt och kan förklara de experimentella värdena.

"Med större oöverensstämmande vinklar, denna oordnade region kan vara ännu bredare eller mer oordnad, " Hon sa.

För att realistiskt simulera felaktiga korngränser och naturlig värmeöverföring, det var nödvändigt att modellera syntesen av ett stort område av grafenfilm, med korn som växer och smälter samman – en mycket komplex simulering, Khalili-Araghi sa, som krävde den "enorma datorkraften" hos UIC:s högpresterande beräkningskluster.

"Med vår simulering kan vi se exakt vad som händer på atomnivå, " sa medförfattaren Arman Fathizadeh, UIC postdoktoral forskarassistent i fysik. "Nu kan vi förklara flera faktorer - formen och storleken på korngränserna, och effekten av substratet."