Однако в настоящий момент потенциальные приложения сталкиваются с фундаментальной проблемой: как тепло распространяется внутри этих листов материалов, толщина которых не превышает нескольких атомов?В исследовании, опубликованном в Nature Communications, группа исследователей EPFL пролила новый свет на механизмы теплопроводности в графене и других двумерных материалах.
Они продемонстрировали, что тепло распространяется в виде волны, как звук в воздухе. До сих пор это было очень малоизвестным явлением, которое в некоторых случаях наблюдалось при температурах, близких к абсолютному нулю.
Их моделирование стало ценным инструментом для исследователей, изучающих графен, будь то охлаждение схем в наномасштабе или замена кремния в завтрашней электронике.Квази-без потерь распространения
Если до сих пор было трудно понять распространение тепла в двумерных материалах, то это потому, что эти листы ведут себя неожиданным образом по сравнению с их трехмерными собратьями. Фактически, они способны передавать тепло с чрезвычайно ограниченными потерями даже при комнатной температуре.Обычно тепло распространяется в материале за счет колебаний атомов.
Эти колебания называются «фононами», и по мере того, как тепло распространяется через трехмерный материал, эти фононы продолжают сталкиваться друг с другом, сливаться вместе или расщепляться. Все эти процессы могут ограничивать теплопроводность по пути. Только в экстремальных условиях, когда температура приближается к абсолютному нулю (-200 0C или ниже), можно наблюдать почти без потерь теплопередачу.
Волна квантового теплаКак показали исследователи EPFL, ситуация с двумерными материалами совершенно иная. Их работа демонстрирует, что тепло может распространяться без значительных потерь в 2D даже при комнатной температуре благодаря феномену волновой диффузии, называемому «вторым звуком».
В этом случае все фононы движутся вместе в унисон на очень большие расстояния. «Наше моделирование, основанное на физических принципах, показало, что атомно тонкие листы материалов ведут себя даже при комнатной температуре так же, как трехмерные материалы при чрезвычайно низких температурах», — говорит Андреа Чепеллотти, первый автор исследования. . «Мы можем показать, что тепловой перенос описывается волнами не только в графене, но и в других материалах, которые еще не были изучены», — объясняет Сепеллотти. «Это чрезвычайно ценная информация для инженеров, которые могли бы использовать конструкцию будущих электронных компонентов, используя некоторые из этих новых свойств двумерных материалов».