p (Phys.org) —Graphene, uma forma de um átomo de espessura do material de carbono grafite, foi aclamado como um material maravilhoso - forte, luz, quase transparente, e um excelente condutor de eletricidade e calor. Mas uma série de desafios práticos devem ser superados antes que possa surgir como um substituto para o silício e outros materiais em microprocessadores e dispositivos de energia de próxima geração. p Um desafio particular diz respeito à questão de como as folhas de grafeno podem ser usadas em dispositivos reais.

p "Quando você fabrica dispositivos usando grafeno, você tem que apoiar o grafeno em um substrato e isso realmente suprime a alta condutividade térmica do grafeno, "disse Li Shi, professor de engenharia mecânica da Universidade do Texas em Austin, cujo trabalho é parcialmente financiado pela National Science Foundation (NSF).

p A condutividade térmica é crítica na eletrônica, especialmente à medida que os componentes encolhem para a nanoescala. A alta condutividade térmica é uma boa coisa para dispositivos eletrônicos fabricados a partir de grafeno. Isso significa que o dispositivo pode espalhar o calor que gera para evitar a formação de pontos quentes locais. Contudo, no caso do grafeno, quando os materiais de apoio necessários também são usados, o grafeno perde parte da condutividade térmica superalta que é prevista para seu estado idealizado quando está livremente suspenso no vácuo.

p Em artigo publicado em setembro de 2013 no Proceedings of the National Academy of Sciences , Shi, junto com o assistente de pesquisa de graduação Mir Mohammad Sadeghi e o colega de pós-doutorado Insun Jo, projetou um experimento para observar os efeitos da condutividade térmica quando a espessura do grafeno suportado em uma camada de vidro amorfo era aumentada.

p Eles observaram que a condutividade térmica aumentou à medida que o número de camadas cresceu de uma única camada de um átomo para até 34 camadas. Contudo, mesmo em 34 camadas, a condutividade térmica não havia se recuperado ao ponto em que era tão alta quanto a grafite em massa, que é um excelente condutor de calor.

p Essas descobertas estão levando Shi e outros a explorar novas maneiras de apoiar ou conectar o grafeno com o mundo macroscópico, incluindo estruturas de espuma interconectadas tridimensionais de grafeno e grafite ultrafina, ou o uso de nitreto de boro hexagonal, que tem quase a mesma estrutura cristalina do grafeno.

p "Um dos nossos objetivos é usar grafeno e outros materiais em camadas para fazer dispositivos eletrônicos flexíveis, "Shi explicou." E esses dispositivos serão feitos em substratos de plástico, que são flexíveis, mas também têm condutividade térmica muito baixa. Quando você executa a corrente através dos dispositivos, muitos deles falham. O calor não pode ser dissipado de forma eficaz, então fica muito quente e apenas derrete o substrato. "

p O derretimento não é o único problema. Conforme as temperaturas aumentam, o substrato de polímero flexível pode se tornar um material fundido semelhante a borracha que quebra os materiais eletrônicos construídos na parte superior e faz com que minúsculos fios condutores em dispositivos eletrônicos falhem facilmente.

p "Em geral, um chip ativo não é bom para os dispositivos, "Shi disse." Os transistores vão mudar mais devagar e vão exigir mais energia. "

p Shi vem explorando as propriedades físicas dos materiais à base de grafeno há mais de uma década. Ele foi co-autor de um artigo de 2001 em Cartas de revisão física que relatou a primeira medição de alta condutividade térmica em nanotubos de carbono individuais, um primo do grafeno. Ele também foi co-autor de um artigo de 2010 em Ciência que forneceu uma visão crítica sobre a condutividade térmica e transporte térmico em grafeno de camada única apoiado em um substrato.

p Shi está tentando responder a questões fundamentais sobre como os fônons - as vibrações dos átomos nos sólidos - transportam calor. Fônons são como elétrons ou fótons (partículas de luz), na medida em que carregam energia térmica. Contudo, muito menos se sabe sobre os fônons porque seus efeitos são menos aparentes na macroescala em que vivemos.

p “Este estudo fundamental permitiu-nos compreender a física intrínseca do espalhamento das ondas da rede, "Shi disse.

p Os experimentos de Shi permitiram que sua equipe inferisse como os fônons se espalham em função da espessura das camadas de grafeno, com base em observações de como a condutividade térmica variava com diferentes números de camadas.

p Para reunir esses insights, sua equipe conduziu cálculos teóricos usando o supercomputador Stampede no Texas Advanced Computing Center (TACC) na Universidade do Texas em Austin. Stampede é financiado pela National Science Foundation (NSF) por meio do prêmio ACI-1134872.

p As simulações os levaram a entender melhor seus resultados experimentais.

p "Para realmente entender a física, você precisa incluir cálculos teóricos adicionais. É por isso que usamos os supercomputadores da TACC, "Shi disse." Quando você faz um experimento, você vê uma tendência, mas sem fazer os cálculos você não sabe realmente o que isso significa. A combinação dos dois é muito poderosa. Se você apenas fizer um sem fazer o outro, você pode não desenvolver a compreensão necessária. "

p A maioria dos sistemas térmicos usados ​​hoje são baseados em tecnologias legadas, de acordo com Shi. Cobre e alumínio servem como materiais dissipadores de calor em computadores; sais fundidos e cera de parafina são usados ​​como meio de armazenamento de energia em dispositivos de armazenamento térmico; e realizar conversão termoelétrica para recuperação de calor residual, usamos materiais como telureto de bismuto ou telureto de chumbo que contêm elementos que não são abundantes na crosta terrestre nem são ecologicamente corretos.

p "Estamos realmente limitados pelos materiais, "Shi disse." Podemos chegar a materiais mais eficazes para substituir interconexões de cobre e dissipadores de calor de cobre, ou substituir os transistores de silício? Podemos desenvolver isoladores termicamente estáveis ​​para aplicações como proteção contra incêndio? Eu acho que em 10 anos, novos materiais serão descobertos e implementados para substituir essas tecnologias legadas. "

p Recentemente, Shi tem explorado como o grafeno multicamadas pode recuperar parte da alta condutividade térmica que é perdida quando o grafeno é colocado em um substrato de vidro, e também olhando para outros materiais cristalinos para apoiar o grafeno

p Shi e sua equipe estão experimentando e modelando novos suportes dielétricos, como nitreto de boro, que tem uma estrutura cristalina comparável ao grafeno. A esperança é que sua estrutura cristalina semelhante leve a uma melhor condutividade térmica e menos espalhamento de fônons quando usados ​​para suportar grafeno. Em um artigo recente em Cartas Físicas Aplicadas , A equipe de Shi e Steve Cronin da University of Southern California relataram sua investigação sobre o transporte térmico em uma interface de grafeno / nitreto de boro

p Os resultados sugerem a importância de melhorar a qualidade da interface para aumentar a condutância da mesma.

p Outra linha de pesquisa de Shi analisa materiais para armazenamento de energia térmica. Escrito na edição de dezembro de 2013 da revista Energia e Ciência Ambiental , A equipe de Shi mostrou que as espumas de grafeno ultrafinas podem ser usadas para aumentar a capacidade de energia dos dispositivos de armazenamento térmico, aumentando a taxa com que o calor pode ser carregado e descarregado nos materiais de mudança de fase usados ​​para armazenar a energia térmica.

p "O aumento da estabilidade do ciclo térmico, e a aplicabilidade a uma ampla gama de materiais de mudança de fase sugere que os compósitos de espuma de grafite ultrafinos são uma rota promissora para atingir as metas de capacidade de alta potência de uma série de aplicações de armazenamento térmico, incluindo aquecimento e resfriamento de veículos e edifícios, colheita térmica solar, e gerenciamento térmico de armazenamento de energia eletroquímica e dispositivos eletrônicos, "disse Michael Pettes, professor de engenharia mecânica da Universidade de Connecticut e co-autor do artigo.

p "É o trabalho fundamental de Shi em materiais em nanoescala, incluindo o grafeno, que orientou o projeto de materiais escaláveis ​​que podem se beneficiar da nanoestruturação e fornecer benefícios sociais possivelmente revolucionários, "Pettes disse.

p O fio condutor de todas essas pesquisas é o desenvolvimento de uma compreensão de como os portadores de energia fundamentais, incluindo elétrons, fótons, fônons e moléculas, são transportados e acoplados uns aos outros em materiais.

p "O professor Shi foi pioneiro no trabalho com as medições do transporte de fônons em nanoescala e realizou medições em uma variedade de sistemas em nanoescala, "disse Sumant Acharya, um oficial de programa no Programa de Processos de Transporte Térmico na NSF. "Ele foi um dos primeiros a relatar medições que mostram o importante efeito de um substrato na redução da condutividade térmica do grafeno."

p A NSF também apoiou Shi no desenvolvimento de materiais termoelétricos de silicida de baixo custo com a intenção de promover o desenvolvimento de recuperação de calor residual de automóveis com base termoelétrica.

p "O professor Shi é um líder na área de transporte de calor em nanoescala, e estou satisfeito que a NSF tem sido capaz de apoiar muitas das pesquisas inovadoras do professor Shi, "Acharya disse.

p Despite a long history exploring and designing with the material, Shi doesn't claim graphene will always be superior to other materials.

p "It has exciting prospects for applications, " he said. "And there's great physics involved."