Jak funguje tepelná vodivost?

Tepelná vodivost grafenu je velmi zajímavou oblastí výzkumu díky mimořádným vodivým vlastnostem grafenu a jeho potenciálu pro použití v aplikacích tepelného managementu.

Naměřená tepelná vodivost grafenu se pohybuje v rozmezí 3 000 – 5 000 W / mK při pokojové teplotě, což je výjimečné číslo ve srovnání s tepelnou vodivostí pyrolytického grafitu, který má hodnotu přibližně 2 000 W / mK při pokojové teplotě. Existují však i jiné výzkumy, které odhadují, že toto číslo je přehnané a že rovinná tepelná vodivost grafenu při pokojové teplotě je u volně suspendovaných vzorků asi 2000–4000 W / mK. Toto číslo stále patří mezi nejvyšší ze všech známých materiálů.

Grafen je považován za vynikající tepelný vodič. Řada studií úspěšně zjistila, že tento unikátní nanomateriál má neomezený potenciál pro vedení tepla na základě velikosti vzorku, což odporuje zákonu tepelného vedení (Fourierův zákon) v mikrometrické stupnici. Jak v počítačových simulacích, tak i experimentech vědci zjistili, že čím větší je segment grafenu, tím více tepla může přenášet. Teoreticky by grafen mohl absorbovat neomezené množství tepla.

Tepelná vodivost se logaritmicky zvyšuje a vědci se domnívají, že by to mohlo být způsobeno stabilním vzorem vazeb a také tím, že jde o 2D materiál. Vzhledem k tomu, že grafen je podstatně odolnější proti roztržení než ocel a je také lehký a pružný, jeho vodivost by mohla mít několik atraktivních aplikací v reálném světě.

Ale co přesně je tepelná vodivost?

Jedná se o přenos tepelné energie mezi místy s rozdílnými teplotami. Vedení tepla je mechanismus přenosu tepla, kdy částice o vyšší teplotě (a tedy i vyšší kinetické energii svého mikroskopického kmitání) narážejí do částic o nižší teplotě a předávají jim svou kinetickou energii.  Teplo lze přenášet třemi způsoby: vedením, konvekcí a zářením. Vedení tepla je velmi běžné a lze ho snadno najít v našich každodenních činnostech – jako je zahřívání lidské ruky, která drží láhev s horkou vodou a další. Teplo proudí z objektu s vyšší teplotou do chladnějšího.

Tepelný přenos probíhá na molekulární úrovni, kdy je tepelná energie absorbována povrchem a způsobuje mikroskopické srážky částic a pohyb elektronů v prostoru. Při tomto procesu se navzájem srazí a přenesou energii na svého „souseda“, což je proces, který bude pokračovat, dokud se přidává teplo.

Proces vedení tepla závisí hlavně na teplotním gradientu (teplotní rozdíl mezi tělesy), délce dráhy a vlastnostech použitých materiálů. Ne všechny látky jsou dobrými vodiči tepla – například kovy jsou považovány za dobré vodiče, protože rychle přenášejí teplo, ale materiály jako dřevo, papír nebo plasty jsou považovány za špatné vodiče tepla. Materiály, které špatně vedou teplo, se nazývají izolanty.

Šíření tepla v podobě vlny

Ve studii publikované v Nature Communications, tým výzkumníků EPFL vrhl nové světlo na mechanismy tepelné vodivosti v grafenu a dalších dvourozměrných materiálech. Ukázali, že teplo se šíří ve formě vlny, stejně jako zvuk se šíří v podobě elektromagnetických vln ve vzduchu. To byl až dosud velmi nejasný jev pozorovaný v několika případech při teplotách blízkých absolutní nule. Jejich simulace poskytují cenný nástroj pro výzkumníky studující grafen, ať už k ochlazení obvodů v nanoměřítku, nebo k nahrazení křemíku v budoucí elektronice.

Téměř bezeztrátový přenos

Pokud bylo doposud obtížné pochopit šíření tepla v dvourozměrných materiálech, je to proto, že se tyto desky chovají neočekávaným způsobem ve srovnání s jejich trojrozměrnými bratranci. Ve skutečnosti jsou schopné přenášet teplo s extrémně omezenými ztrátami, a to i při pokojové teplotě.

Obecně se teplo šíří v materiálu vibracemi atomů. Tyto vibrace se nazývají „fonony“ a jak se teplo šíří trojrozměrným materiálem, tyto fonony se navzájem srážejí, spojují se nebo rozštěpují. Všechny tyto procesy mohou podélně omezit vodivost tepla. Pouze za extrémních podmínek, kdy se teplota blíží absolutní nule (-200 ° C nebo nižší), je možné pozorovat téměř bezeztrátový přenos tepla.

Vlna kvantového tepla

Situace je velmi odlišná u dvourozměrných materiálů, jak ukazují vědci z EPFL. Jejich práce ukazuje, že teplo se může šířit bez výrazných ztrát ve 2D i při pokojové teplotě, a to díky fenoménu vlnové difuze, zvanému „druhý zvuk“. V takovém případě všechny fonony pochodují společně na velké vzdálenosti. „Naše simulace založené na fyzice prvních principů ukázaly, že atomově tenké vrstvy materiálů se chovají, dokonce i při pokojové teplotě, stejně jako trojrozměrné materiály při extrémně nízkých teplotách,“ říká Andrea Cepellotti, první autorka studie . „Můžeme ukázat, že tepelný transport je popsán vlnami, a to nejen v grafenu, ale také v jiných materiálech, které dosud nebyly studovány,“ vysvětluje Cepellotti. „Jedná se o nesmírně cennou informaci pro inženýry, kteří by mohli využít návrh budoucích elektronických součástek s využitím některých z těchto nových vlastností dvojrozměrných materiálů.“

Jak lze využít vzrušující vlastnosti tepelné vodivosti grafenu?

Mimo velmi praktické a revoluční využití tepelné vodivosti grafenu ve sportovním oblečení, které najde své uplatnění především v extrémních podmínkách, tyto možnosti zahrnují např. elektroniku, která by mohla velmi těžit ze schopnosti grafenu odvádět teplo a optimalizovat elektronickou funkci. V mikro- a nanoelektronice je teplo často limitujícím faktorem pro menší a efektivnější součástky. Proto může mít grafen se svojí výjimečnou tepelnou vodivostí obrovský potenciál pro tento druh aplikací.

Zdroj: https://phys.org/news/2015-03-graphene.html
Zdroj úvodního obrázku: Rotující elektrony při zahřátí jednoho konce kovu. / @sciencenews.org