O grafeno vai mudar o mundo - ou pelo menos foi o que nos disseram.

Desde sua descoberta, há uma década, cientistas e gurus da tecnologia saudaram o grafeno como o material maravilhoso que pode substituir o silício na eletrônica, aumentar a eficiência das baterias, a durabilidade e condutividade das telas sensíveis ao toque e abre o caminho para energia elétrica térmica barata, entre muitas outras coisas.

Tem um átomo de espessura, mais forte que o aço, mais duro que o diamante e um dos materiais mais condutores da terra.

Mas, vários desafios devem ser superados antes que os produtos de grafeno sejam colocados no mercado. Os cientistas ainda estão tentando entender a física básica deste material único. Também, é muito difícil de fazer e ainda mais difícil de fazer sem impurezas.

Em um novo artigo publicado em Ciência , pesquisadores da Harvard e Raytheon BBN Technology avançaram nossa compreensão das propriedades básicas do grafeno, observando pela primeira vez os elétrons em um metal se comportando como um fluido.

Para fazer esta observação, a equipe aprimorou métodos para criar grafeno ultra-limpo e desenvolveu uma nova maneira de medir sua condutividade térmica. Esta pesquisa pode levar a novos dispositivos termoelétricos, bem como fornecer um sistema modelo para explorar fenômenos exóticos como buracos negros e plasmas de alta energia.

Esta pesquisa foi liderada por Philip Kim, professor de física e física aplicada na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas John A. Paulson (SEAS).

Uma superestrada de elétrons

Em comum, metais tridimensionais, elétrons dificilmente interagem uns com os outros. Mas o grafeno é bidimensional, A estrutura em favo de mel atua como uma superestrada de elétrons na qual todas as partículas precisam viajar na mesma pista. Os elétrons no grafeno agem como objetos relativísticos sem massa, alguns com carga positiva e alguns com carga negativa. Eles se movem a uma velocidade incrível - 1/300 da velocidade da luz - e foi previsto que colidam uns com os outros dez trilhões de vezes por segundo em temperatura ambiente. Essas interações intensas entre as partículas de carga nunca foram observadas em um metal comum antes.

A equipe criou uma amostra ultra-limpa imprensando a folha de grafeno de um átomo de espessura entre dezenas de camadas de um cristal transparente perfeito eletricamente isolante com uma estrutura atômica semelhante ao grafeno.

"Se você tem um material com a espessura de um átomo, será realmente afetado pelo ambiente, "disse Jesse Crossno, um estudante de pós-graduação no Kim Lab e primeiro autor do artigo. "Se o grafeno estiver em cima de algo áspero e desordenado, vai interferir na forma como os elétrons se movem. É muito importante criar grafeno sem interferência de seu ambiente. "

A técnica foi desenvolvida por Kim e seus colaboradores na Columbia University antes de ele se mudar para Harvard em 2014 e agora foi aperfeiçoada em seu laboratório no SEAS.

Próximo, a equipe montou uma espécie de sopa térmica de partículas carregadas positivamente e negativamente na superfície do grafeno, e observou como essas partículas fluíram como correntes térmicas e elétricas.

O que eles observaram foi contra tudo o que sabiam sobre metais.

Um buraco negro em um chip

A maior parte do nosso mundo - como a água flui (hidrodinâmica) ou como uma bola curva se curva - é descrito pela física clássica. Coisas muito pequenas, como elétrons, são descritos pela mecânica quântica enquanto coisas muito grandes e muito rápidas, como galáxias, são descritos pela física relativística, iniciado por Albert Einstein.

Combinar essas leis da física é notoriamente difícil, mas há exemplos extremos em que elas se sobrepõem. Sistemas de alta energia como supernovas e buracos negros podem ser descritos ligando as teorias clássicas da hidrodinâmica com as teorias da relatividade de Einstein.

Mas é difícil fazer um experimento em um buraco negro. Digite o grafeno.

Quando as partículas de forte interação no grafeno foram impulsionadas por um campo elétrico, eles se comportavam não como partículas individuais, mas como um fluido que poderia ser descrito pela hidrodinâmica.

"Em vez de observar como uma única partícula foi afetada por uma força elétrica ou térmica, pudemos ver a energia conservada à medida que fluía por muitas partículas, como uma onda na água, "disse Crossno.

"Descobrimos a física estudando os buracos negros e a teoria das cordas, estamos vendo no grafeno, "disse Andrew Lucas, coautor e estudante de graduação com Subir Sachdev, o Herchel Smith Professor de Física em Harvard. "Este é o primeiro sistema modelo de hidrodinâmica relativística em um metal."

Seguindo em frente, um pequeno chip de grafeno poderia ser usado para modelar o comportamento semelhante ao fluido de outros sistemas de alta energia.

Implicações industriais

Portanto, agora sabemos que os elétrons de forte interação no grafeno se comportam como um líquido - como isso avança nas aplicações industriais do grafeno?

Primeiro, a fim de observar o sistema hidrodinâmico, a equipe precisava desenvolver uma maneira precisa de medir o quão bem os elétrons no sistema transportam calor. É muito difícil de fazer, disse o co-investigador Dr. Kin Chung Fong, cientista da Raytheon BBN Technology.

Os materiais conduzem calor de duas maneiras:por meio de vibrações na estrutura atômica ou rede; e carregados pelos próprios elétrons.

"Precisávamos encontrar uma maneira inteligente de ignorar a transferência de calor da rede e focar apenas em quanto calor é transportado pelos elétrons, "Fong disse.

Para fazer isso, a equipe se transformou em barulho. Em temperatura finita, os elétrons se movem aleatoriamente:quanto mais alta a temperatura, mais barulhentos são os elétrons. Medindo a temperatura dos elétrons em três casas decimais, a equipe conseguiu medir com precisão a condutividade térmica dos elétrons.

"Converter energia térmica em correntes elétricas e vice-versa é notoriamente difícil com materiais comuns, "disse Lucas." Mas, em princípio, com uma amostra limpa de grafeno, pode não haver limite para a qualidade do dispositivo que você poderia fazer. "