Le graphène est-il le meilleur conducteur de chaleur ? Des chercheurs étudient la diffusion à quatre phonons

Le graphène, un matériau constitué d’une seule couche d’atomes de carbone, a été célébré par beaucoup comme la « prochaine grande nouveauté » de la science des matériaux. Mais selon les chercheurs de l’Université Purdue, ses propriétés thermiques ne sont peut-être pas aussi révolutionnaires qu’on le pensait auparavant.

“Le graphène est le premier matériau bidimensionnel jamais créé par l’être humain”, a déclaré Xiulin Ruan, professeur de génie mécanique. “Il s’agit essentiellement d’une couche de carbone d’une épaisseur d’un atome. Elle a été découverte pour la première fois en 2004 et a remporté le prix Nobel de physique en 2010. Depuis lors, elle a été étudiée par de nombreux chercheurs en raison de ses propriétés uniques.”

Par exemple, on dit que le graphène conduit l’électricité mieux que tout autre matériau connu en science et qu’il est connu pour sa résistance. Les chercheurs en transport thermique n’ont d’ailleurs pas tardé à lui attribuer le titre de meilleur conducteur thermique.

“Auparavant, le matériau considéré comme ayant la conductivité thermique la plus élevée était le diamant”, a déclaré Zherui Han, titulaire d’un doctorat. étudiant dans le laboratoire de Ruan. “C’est le matériau qui peut transférer le plus de chaleur le plus rapidement. Mais lorsque le graphène est apparu, des études traditionnelles ont montré qu’il était bien meilleur que le diamant.”

La conductivité thermique est mesurée en watts par mètre et par Kelvin. À cette échelle, la conductivité thermique d’un diamant est généralement estimée à environ 2 000. Mais lorsque les scientifiques ont commencé à mesurer la conductivité thermique du graphène, les premières estimations dépassaient les 5 000. De toute évidence, cela a suscité l’intérêt de scientifiques comme Ruan, dont les recherches portent sur le transfert de chaleur.

“Cependant, des mesures expérimentales et des modélisations ultérieures ont affiné la conductivité thermique du graphène”, a déclaré Ruan. “Des articles plus récents ont porté ce nombre à environ 3 000, ce qui reste bien meilleur que le diamant. Mais nous avons trouvé quelque chose de complètement différent.”

L’équipe de Ruan a prédit que la conductivité thermique du graphène à température ambiante serait de 1 300 W/(m·K), non seulement inférieure à celle du diamant, mais également inférieure à celle du graphite brut à partir duquel le graphène est fabriqué.

Leurs recherches ont été publiées dans Examen physique B.

La disparité entre leurs travaux et les travaux antérieurs se résume à un phénomène appelé diffusion à quatre phonons. Les phonons sont la façon dont les scientifiques spécialisés dans le transfert de chaleur décrivent le mouvement de la chaleur dans les solides au niveau de la mécanique quantique. Jusqu’à récemment, les chercheurs ne pouvaient comprendre que la diffusion à trois phonons pour prédire le transfert de chaleur à travers les solides.

Mais en 2016, l’équipe de Ruan a développé une théorie générale de la diffusion à quatre phonons et, un an plus tard, elle a réussi à quantifier la diffusion à quatre phonons. Cela a conduit Ruan à recevoir la plus haute distinction de l’International Phononics Society en 2023.

Alors, quel est le rapport avec le graphène ? “Le graphène est un matériau bidimensionnel d’un seul atome d’épaisseur”, a déclaré Han.

“Des études antérieures suggèrent que la diffusion à trois phonons serait limitée par cette bidimensionnalité, ce qui rend en théorie le graphène beaucoup plus conducteur thermiquement que les matériaux en vrac. Mais la diffusion à quatre phonons n’est pas limitée par la nature 2D du graphène ; en fait, le ” L’effet est assez fort. Nos travaux ont montré que la diffusion à quatre phonons devient le principal canal de diffusion dans le graphène par rapport à la diffusion à trois phonons. C’est un résultat frappant. ”

L’un des obstacles à cette découverte était la disponibilité de la puissance de calcul brute. Le calcul de cette diffusion à quatre phonons nécessitait une stratégie de calcul parallèle, utilisant essentiellement un cluster informatique doté d’un téraoctet de mémoire. Cela a été accompli au Rosen Center for Advanced Computing de l’Université Purdue.

Pour le moment, ces calculs sont tous théoriques. L’équipe travaille avec le professeur Li Shi de l’Université du Texas à Austin, soutenue par leurs subventions collaboratives de la National Science Foundation, pour vérifier expérimentalement les résultats. Les mesures précédentes sur le graphène présentaient de grandes barres d’erreur, qui doivent être réduites pour vérifier leur théorie. Ils prévoient également de prédire la conductivité thermique du graphène de plusieurs couches d’atomes, plutôt que d’une seule.

“Sans validations expérimentales pour l’instant, nous savons que la communauté sera sceptique quant à cette prédiction très marginale”, a déclaré Ruan.

“Nous avons été confrontés au même scepticisme en 2017 lorsque nous avons prédit des aspects similaires de l’arséniure de bore. Heureusement, cette prédiction a été confirmée par trois expériences importantes un an plus tard. Depuis lors, notre théorie de la diffusion à quatre phonons a été étayée par de plus en plus de preuves expérimentales, et nous espérons que cela sera également valable pour le graphène cette fois-ci. Nous rendons notre logiciel open source afin que d’autres scientifiques puissent tester la théorie des quatre phonons.

Zherui Han a publié son solveur de conductivité thermique à quatre phonons sur GitHub et publié un article décrivant l’utilisation du logiciel. Tout scientifique spécialisé dans le transfert de chaleur peut utiliser le logiciel pour mener des recherches similaires.

“Le graphène étant le premier matériau bidimensionnel, beaucoup de gens pensaient que c’était comme de la magie”, a déclaré Han. “On pensait qu’il possédait toutes ces propriétés supérieures : thermiques, mécaniques, optiques, électriques. En tant que chercheurs en thermique, il est de notre devoir d’établir si cette partie est vraie. Le graphène est toujours un bon conducteur de chaleur, mais nos travaux prédisent qu’il n’est pas meilleur que diamant.”

“Je dis toujours que les exceptions sont la façon dont la science avance”, a déclaré Ruan. “Nous sommes prudemment optimistes quant à nos résultats. Avec la diffusion à quatre phonons, nous espérons fournir des évaluations théoriques beaucoup plus précises de ces matériaux à l’avenir.”