O grafeno, um material que consiste em uma única camada de átomos de carbono, tem sido celebrado por muitos como a “próxima grande novidade” na ciência dos materiais. Mas de acordo com investigadores da Universidade Purdue, as suas propriedades térmicas podem não ser tão revolucionárias como se pensava anteriormente.



“O grafeno é o primeiro material bidimensional já criado pelos seres humanos”, disse Xiulin Ruan, professor de engenharia mecânica. "É basicamente uma camada de carbono com a espessura de um átomo. Foi descoberta pela primeira vez em 2004 e ganhou o Prémio Nobel da Física em 2010. Desde então, tem sido estudada por muitos investigadores devido às suas propriedades únicas."

Por exemplo, diz-se que o grafeno conduz eletricidade melhor do que qualquer outro material conhecido pela ciência e é conhecido pela sua resistência material. Os pesquisadores do transporte térmico também foram rápidos em atribuir-lhe o título de melhor condutor de calor.

“Anteriormente, o material que se pensava ter a maior condutividade térmica era o diamante”, disse Zherui Han, Ph.D. estudante no laboratório de Ruan. "Esse é o material que pode transferir mais calor com mais rapidez. Mas quando o grafeno foi lançado, os principais estudos mostraram que ele era muito melhor que o diamante."

A condutividade térmica é medida em watts por metro por Kelvin. Nesta escala, a condutividade térmica de um diamante é geralmente considerada como sendo de cerca de 2.000. Mas quando os cientistas começaram a medir a condutividade térmica do grafeno, as primeiras estimativas chegaram a mais de 5.000. Obviamente, isso despertou o interesse de cientistas como Ruan, cuja pesquisa se concentra na transferência de calor.

"No entanto, medições experimentais e modelagens subsequentes refinaram a condutividade térmica do grafeno", disse Ruan. "Artigos mais recentes elevaram o número para cerca de 3.000, o que ainda é muito melhor que o diamante. Mas descobrimos algo completamente diferente."

A equipe de Ruan previu que a condutividade térmica do grafeno à temperatura ambiente seria de 1.300 W/(m·K) – não apenas menos que o diamante, mas também menos que o material bruto de grafite do qual o grafeno é feito.

A pesquisa deles foi publicada na Physical Review B .

A disparidade entre seu trabalho e trabalhos anteriores se resume a um fenômeno chamado espalhamento de quatro fônons. Os fônons são como os cientistas da transferência de calor descrevem o movimento do calor nos sólidos no nível da mecânica quântica. Até recentemente, os pesquisadores só conseguiam compreender o espalhamento de três fônons para prever a transferência de calor através dos sólidos.

Mas em 2016, a equipe de Ruan desenvolveu uma teoria geral de dispersão de quatro fônons e, um ano depois, quantificou com sucesso a dispersão de quatro fônons. Isso fez com que Ruan recebesse a mais alta homenagem da Sociedade Fonônica Internacional em 2023.

Então, como isso se relaciona com o grafeno? “O grafeno é um material bidimensional com apenas um átomo de espessura”, disse Han.

"Estudos anteriores sugerem que o espalhamento de três fônons seria restringido por esta bidimensionalidade, o que em teoria torna o grafeno muito mais termicamente condutor do que materiais a granel. Mas o espalhamento de quatro fônons não é restrito pela natureza 2D do grafeno; na verdade, o O efeito é bastante forte. Nosso trabalho mostrou que o espalhamento de quatro fônons se torna o principal canal de espalhamento no grafeno em relação ao espalhamento de três fônons.

Uma barreira para essa descoberta foi a disponibilidade de poder computacional bruto. O cálculo desse espalhamento de quatro fônons exigiu uma estratégia de computação paralela, utilizando essencialmente um cluster de computação com um terabyte de memória. Isso foi realizado no Rosen Center for Advanced Computing da Purdue University.

No momento, esses cálculos são todos teóricos. A equipe trabalha com o Prof. Li Shi da Universidade do Texas em Austin, apoiada por suas doações colaborativas da National Science Foundation, para verificar as descobertas experimentalmente. Medições anteriores sobre o grafeno tiveram grandes barras de erro, que precisam ser reduzidas para verificar sua teoria. Eles também planejam prever a condutividade térmica do grafeno de múltiplas camadas de átomos, em vez de apenas uma.

“Sem validações experimentais ainda, sabemos que a comunidade ficará cética em relação a esta previsão pouco convencional”, disse Ruan.

"Enfrentamos o mesmo ceticismo em 2017, quando previmos aspectos semelhantes do arsenieto de boro. Felizmente, essa previsão foi confirmada por três experiências importantes um ano depois. Desde então, a nossa teoria de dispersão de quatro fônons tem sido apoiada por cada vez mais evidências experimentais, e esperamos que desta vez também seja válido para o grafeno. Tornamos nosso software de código aberto para que outros cientistas possam testar a teoria dos quatro fônons.

Zherui Han postou seu solucionador de condutividade térmica de quatro fônons no GitHub e publicou um artigo descrevendo o uso do software. Qualquer cientista de transferência de calor pode usar o software para conduzir pesquisas semelhantes.

“Sendo o grafeno o primeiro material bidimensional, muitas pessoas pensaram que era como mágica”, disse Han. "Acreditava-se que ele tinha todas essas propriedades superiores:térmicas, mecânicas, ópticas, elétricas. Como pesquisadores térmicos, é nosso trabalho estabelecer se essa parte é verdadeira. O grafeno ainda é um bom condutor de calor, mas nosso trabalho prevê que não é melhor do que diamante."

“Eu sempre digo que as exceções são a forma como a ciência avança”, disse Ruan. "Estamos cautelosamente otimistas sobre nossas descobertas. Com o espalhamento de quatro fônons, esperamos fornecer avaliações teóricas muito mais precisas desses materiais no futuro."

Mais informações: Zherui Han et al, Condutividade térmica do grafeno monocamada:convergente e inferior ao diamante, Revisão Física B (2023). DOI:10.1103/PhysRevB.108.L121412
Fornecido pela Purdue University