Grafen, ett material som består av ett enda lager av kolatomer, har av många hyllats som "nästa stora sak" inom materialvetenskap. Men enligt Purdue Universitys forskare är dess termiska egenskaper kanske inte så revolutionerande som man tidigare trott.
"Grafen är det första tvådimensionella materialet som människor någonsin skapat", säger Xiulin Ruan, professor i maskinteknik. "Det är i grunden ett lager av kol, en atom tjockt. Det upptäcktes först 2004 och vann Nobelpriset i fysik 2010. Ända sedan dess har det studerats av många forskare på grund av dess unika egenskaper."
Till exempel sägs grafen leda elektricitet bättre än något annat material känt för vetenskapen och är känt för sin materialstyrka. Termiska transportforskare var också snabba med att ge den titeln bästa värmeledare.
"Tidigare var det material som troddes ha den högsta värmeledningsförmågan diamant", säger Zherui Han, en Ph.D. student i Ruans labb. "Det är det material som kan överföra mest värme snabbast. Men när grafen kom ut visade vanliga studier att det är mycket bättre än diamant."
Värmeledningsförmåga mäts i watt per meter per Kelvin. På denna skala förstås en diamants värmeledningsförmåga i allmänhet vara cirka 2 000. Men när forskare började mäta grafens värmeledningsförmåga nådde tidiga uppskattningar över 5 000. Uppenbarligen fångade detta intresset hos forskare som Ruan, vars forskning fokuserar på värmeöverföring.
"Men efterföljande experimentella mätningar och modellering har förfinat grafenens värmeledningsförmåga," sa Ruan. "Närare tidningar tog siffran till cirka 3 000, vilket fortfarande är mycket bättre än diamant. Men vi hittade något helt annat."
Ruans team har förutspått den termiska ledningsförmågan hos grafen vid rumstemperatur till 1 300 W/(m K) – inte bara mindre än diamant utan också mindre än det råa grafitmaterialet som grafen är tillverkat av.
Deras forskning har publicerats i Physical Review B .
Skillnaden mellan deras arbete och tidigare arbete kommer ner till ett fenomen som kallas fyrfononspridning. Fononer är hur värmeöverföringsforskare beskriver värmerörelsen i fasta ämnen på en kvantmekanisk nivå. Fram till nyligen kunde forskare bara förstå tre-fononspridning för att förutsäga överföringen av värme genom fasta ämnen.
Men 2016 utvecklade Ruans team en allmän teori om spridning av fyra fononer, och ett år senare kvantifierade de framgångsrikt spridning av fyra fononer. Detta ledde till att Ruan fick den högsta utmärkelsen från International Phononics Society 2023.
Så, hur relaterar detta till grafen? "Grafen är ett tvådimensionellt material med endast en atoms tjocklek," sa Han.
"Tidigare studier tyder på att trefononspridning skulle begränsas av denna tvådimensionalitet, vilket i teorin gör grafen mycket mer termiskt ledande än bulkmaterial. Men spridning med fyra fononer begränsas inte av grafenens 2D-natur; faktiskt Effekten är ganska stark. Vårt arbete har visat att spridning med fyra fononer blir den ledande spridningskanalen i grafen över tre fononspridning. Detta är ett slående resultat
Ett hinder för denna upptäckt var tillgången på rå datorkraft. Att beräkna denna spridning med fyra fononer krävde en parallell beräkningsstrategi, huvudsakligen med användning av ett beräkningskluster med en terabyte minne. Detta åstadkoms vid Rosen Center for Advanced Computing vid Purdue University.
För närvarande är alla dessa beräkningar teoretiska. Teamet samarbetar med Prof. Li Shi vid University of Texas i Austin, med stöd av deras samarbete från National Science Foundation, för att verifiera resultaten experimentellt. Tidigare mätningar på grafen har haft stora felstaplar, som måste reduceras för att verifiera deras teori. De planerar också att förutsäga den termiska konduktiviteten hos grafen för flera lager av atomer, snarare än bara ett.
"Utan experimentella valideringar ännu vet vi att samhället kommer att vara skeptiskt till denna mycket icke-vanliga förutsägelse," sa Ruan.
"Vi mötte samma skepsis 2017 när vi förutspådde liknande aspekter av borarsenid. Lyckligtvis bekräftades den förutsägelsen av tre viktiga experiment ett år senare. Sedan dess har vår fyra-fononspridningsteori fått stöd av fler och fler experimentella bevis, och vi hoppas att det kommer att hålla för grafen också den här gången. Vi gör vår programvara öppen källkod så att andra forskare kan testa fyra-fonon-teorin."
Zherui Han har publicerat sin värmeledningslösning med fyra fononer på GitHub och publicerat en artikel som beskriver programvarans användning. Alla värmeöverföringsforskare kan använda programvaran för att utföra liknande forskning.
"Graphene är det första tvådimensionella materialet, många trodde att det var som magi," sa Han. "Det ansågs ha alla dessa överlägsna egenskaper:termiska, mekaniska, optiska, elektriska. Som termiska forskare är det vår uppgift att fastställa om den delen är sann. Grafen är fortfarande en bra värmeledare, men vårt arbete förutspår att det inte är bättre än diamant."
"Jag säger alltid att undantag är hur vetenskapen går framåt," sa Ruan. "Vi är försiktigt optimistiska om våra resultat. Med spridning av fyra fononer är det vårt hopp att kunna leverera mycket mer exakta teoretiska bedömningar av dessa material i framtiden."
Mer information: Zherui Han et al, Termisk konduktivitet av monoskiktsgrafen:konvergent och lägre än diamant, Physical Review B (2023). DOI:10.1103/PhysRevB.108.L121412
Tillhandahålls av Purdue University
