Você normalmente não quer misturar eletricidade e água, mas a eletricidade se comportando como a água tem o potencial de melhorar os dispositivos eletrônicos. Trabalhos recentes dos grupos do engenheiro James Hone em Columbia e do físico teórico Shaffique Adam na Universidade Nacional de Cingapura e Yale-NUS constroem uma nova compreensão desse comportamento hidrodinâmico incomum que muda algumas suposições antigas sobre a física dos metais. O estudo foi publicado em 15 de abril na revista Science Advances .
No trabalho, a equipe estudou o comportamento de um novo semicondutor no qual elétrons carregados negativamente e "buracos" carregados positivamente carregam simultaneamente corrente. Eles descobriram que esta corrente pode ser descrita com apenas duas equações "hidrodinâmicas":uma descrevendo como os elétrons e buracos deslizam uns contra os outros, e uma segunda para como todas as cargas se movem juntas através da rede atômica do material.

"Fórmulas simples geralmente significam física simples", disse Hone, que ficou surpreso quando o pós-doutorado de Adam, Derek Ho, construiu o novo modelo, que desafia suposições que muitos físicos aprendem sobre metais no início de sua educação. "Todos nós fomos ensinados que em um metal normal, tudo o que você realmente precisa saber é como um elétron ricocheteia em vários tipos de imperfeições", disse Hone. "Neste sistema, os modelos básicos que aprendemos em nossos primeiros cursos simplesmente não se aplicam."

Em fios de metal que transportam uma corrente elétrica, há muitos elétrons em movimento que ignoram uns aos outros, como passageiros em um metrô lotado. À medida que os elétrons se movem, eles inevitavelmente encontram defeitos físicos no material que os transporta ou vibrações que os fazem se espalhar. A corrente diminui e a energia é perdida. Mas, em materiais que têm números menores de elétrons, esses elétrons realmente interagem fortemente uns com os outros e fluirão juntos, como água através de um cano. Eles ainda encontram essas mesmas imperfeições, mas seu comportamento é completamente diferente:em vez de pensar em elétrons individuais espalhados aleatoriamente, agora você precisa tratar todo o conjunto de elétrons (e buracos) juntos, disse Hone.

Para testar experimentalmente seu novo modelo simples de condutividade hidrodinâmica, a equipe estudou o grafeno de duas camadas – um material feito de duas folhas finas de carbono. Hone's Ph.D. O estudante Cheng Tan mediu a condutividade elétrica da temperatura ambiente até quase o zero absoluto enquanto variava a densidade de elétrons e buracos. Tan e Ho encontraram uma excelente correspondência entre o modelo e seus resultados. "É impressionante que os dados experimentais concordem muito melhor com a teoria hidrodinâmica do que a velha "teoria padrão" sobre a condutividade", disse Ho.

O modelo funcionou quando o material foi ajustado de forma a permitir que a condutividade seja ligada e desligada, e o comportamento hidrodinâmico foi proeminente mesmo à temperatura ambiente. “É realmente notável que o grafeno de bicamada tenha sido estudado por mais de 15 anos, mas até agora não entendíamos corretamente sua condutividade à temperatura ambiente”, disse Hone, que também é professor Wang Fong-Jen e presidente do Departamento de Engenharia Mecânica. na Columbia Engenharia.

A condutividade de baixa resistência à temperatura ambiente pode ter aplicações muito práticas. Os materiais supercondutores existentes, que conduzem eletricidade sem resistência, precisam ser mantidos incrivelmente frios. Materiais capazes de fluxo hidrodinâmico podem ajudar os pesquisadores a construir dispositivos eletrônicos mais eficientes - conhecidos como eletrônicos viscosos - que não exigem resfriamento tão intenso e caro.

Em um nível mais fundamental, a equipe verificou que o movimento de deslizamento entre elétrons e buracos não é específico do grafeno, disse Adam, professor associado do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade Nacional de Cingapura e da Divisão de Ciências de Yale. - Faculdade NUS. Como esse movimento relativo é universal, os pesquisadores devem ser capazes de encontrá-lo em outros materiais – especialmente porque a melhoria das técnicas de fabricação continua a produzir amostras cada vez mais limpas, que o Hone Lab se concentrou em desenvolver na última década. No futuro, os pesquisadores também podem projetar geometrias específicas para melhorar ainda mais o desempenho de dispositivos construídos para aproveitar esse comportamento coletivo exclusivo da água. + Explorar mais

Pesquisadores se aproximam do controle do grafeno bidimensional