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Grafeno : batido novo recorde de condutividade térmica.

Constituído de uma camada simples de átomos de carbono, dispostos na forma de colméias de abelhas, o grafeno é um material estudado desde o começo dos anos 2000, por conta de suas notáveis propriedades físicas: é, de fato, não só um excelente condutor de eletricidade, mas também o melhor condutor térmico hoje conhecido. Isto não impediu uma equipe de físicos, chineses e americanos, de duplicar sua condutividade térmica, modificando sutilmente sua composição química.

Em 2008, parte desta mesma equipe, dirigida pelo americano Alexander Balandin, da Universidade da Califórnia em Riverside, já havia medido a condutividade térmica do grafeno. Com 5300 watts por metro e por kelvin W/(m·K), à temperatura ambiente, este material bate todos os recordes nesta área. Em temperatura equivalente, ele ultrapassa de longe o cobre, que é, contudo, bom condutor térmico, com um valor de 400 W/(m·K).



Estrutura do grafeno.

Créditos: Alexander Allus.



Os físicos tentaram determinar se ainda seria possível melhorar esta propriedade. Para tanto, fabricaram uma nova fórmula de grafeno, dita isotópica. Na natureza encontram-se duas formas estáveis de carbono, os isótopos, que não diferem a não ser pelo número de nêutrons em seu núcleo: o carbono 12 e o carbono 13. O primeiro é ultramajoritário e representa 98,9% do total, o segundo não representa senão 1,1% do conjunto. Foi com a ajuda de metano gasoso, disposto em camadas ultrafinas, que os físicos fabricaram grafeno isotópico, constituído de 99,9% de carbono 12 e 0,1% de carbono 13.

Esta substituição de 1% de carbono 13 por carbono 12 tem notáveis consequências sobre as propriedades térmicas do material. A condutividade térmica do grafeno isotópico é, de fato, quase duas vezes mais elevada que em sua forma natural.

Quanto às propriedade elétricas e mecânicas, continuam idênticas. Como explicar essa diferença? Entre as hipóteses consideradas, o grafeno isotópico transportaria melhor o calor, graças à sua massa (ele é sensivelmente mais leve) e sua estrutura atômica sensivelmente diferentes. Em um sólido, a condutividade térmica depende dos fônons, ou seja, dos modos de vibração dos átomos entre si. Modificando a estrutura atômica do grafeno, favorecer-se-ia, então, certos fônons, o que aumentaria o transporte de calor no interior da rede de átomos de carbono.

"Esta experiência modifica nossa visão do funcionamento da condutividade térmica", explica Clément Faugeras, do Laboratório Nacional de Campos Magnéticos Intensos, em Grenoble. "Compreende-se, doravante, melhor, como certos fenômenos microscópicos - aqui, uma modificação da massa atômica -, têm consequências macroscópicas sobre a condução térmica. Isto abre novas perspectivas para o estudo de fenômenos térmicos em outros materiais uni ou bidimensionais", continuou ele.


Além dos avanços em termos de ciência fundamental, a equipe de Alexander Balandin prevê que este novo tipo de grafeno poderá ser usado em eletrônica ou na fabricação de eletrodos transparentes, integrados em células solares fotovoltaicas.

La Recherche (Tradução - MIA)


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