Grafeno é desbancado: Fama de melhor condutor de calor do mundo era indevida

Redação do Site Inovação Tecnológica - 04/12/2023

As propriedades térmicas do grafeno podem não ser tão revolucionárias como os cientistas calcularam inicialmente.
[Imagem: Jynto/Wikimedia]

Fama do grafeno

O grafeno, um material que consiste em uma única camada de átomos de carbono, tem sido celebrado pela ciência como a "próxima grande estrela" na ciência dos materiais.

Mas, de acordo com Zherui Han e Xiulin Ruan, da Universidade Purdue, nos EUA, as suas propriedades térmicas podem não ser tão revolucionárias como se calculou a princípio.

A atribuição do Prêmio Nobel de Física de 2010, apenas seis anos após a descoberta do grafeno, fez deslanchar não apenas a fama do material, mas também o interesse em seu estudo, já que qualquer experimento feito com grafeno parecia se justificar.

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

"Anteriormente, o material que se pensava ter a maior condutividade térmica era o diamante," detalhou Han. "Esse é o material que pode transferir mais calor com mais rapidez. Mas, quando o grafeno apareceu, os principais estudos mostraram que ele era muito melhor do que o diamante."

Só que esses estudos aparentemente estavam errados.

Em alguns casos de grande interesse tecnológico, o calor se propaga por um material na forma de um fluxo viscoso.
[Imagem: EPFL]

Grafeno versus diamante

A condutividade térmica é medida em watts por metro por Kelvin [W/(m.K)]. Nesta escala, a condutividade térmica do 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.

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

Os novos cálculos da dupla colocam o grafeno em uma posição bem mundana: Os resultados indicam que a condutividade térmica do grafeno à temperatura ambiente fica por volta de 1.300 W/(m.K), não apenas menor que a do diamante, mas também menor do que o material bruto de grafite, do qual o grafeno é extraído - o grafeno consiste em uma única folha de grafite.

A disparidade entre os resultados se deve a um fenômeno chamado espalhamento de quatro fônons. Os fônons são as quasipartículas responsáveis pela transferência de calor. 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 espalhamento de quatro fônons e, um ano depois, quantificou com sucesso o espalhamento de quatro fônons.

"Estudos anteriores sugerem que o espalhamento de três fônons seria restringido pela bidimensionalidade, o que em teoria torna o grafeno muito mais condutor termicamente do que materiais brutos. Mas o espalhamento de quatro fônons não é restrito pela natureza 2D do grafeno; na verdade, 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. Este é um resultado impressionante."

Existe também uma espécie de "supercondutividade termal", quando o calor se propaga em forma de ondas.
[Imagem: IQOQI/Ritsch]

Confirmação experimental

No momento, todos esses resultados são teóricos, mas a dupla já está trabalhando com experimentalistas para checar essas previsões.

"Sendo o grafeno o primeiro material bidimensional, muitas pessoas pensaram que ele seria algo mágico," 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 ele não é melhor do que o diamante."

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