Una investigació que acaba de publicar-se en la revista Nature Nanotechnology revela que el grafè permet dissipar la calor de forma extremadament eficaç, repartint-la en micròmetres durant un temps tan breu com uns centenars de femtosegons, és a dir, menys d'una milionèsima part d'un milionèsim de segon. Això podria permetre refredar eficaçment els elements circuitals locals, com els transistors, dels dispositius (opto) electrònics.
Ja se sabia que el grafè posseeix una de les conductivitats tèrmiques més altes: uns quants milers de W/m2K –fins i tot més que la del diamant. Això es deu a la calor transportada per les vibracions cristal·lines, mentre que la contribució dels portadors de càrrega –electrons i forats– sol ser petita. El grafè però també té un règim de transport no convencional anomenat règim hidrodinàmic, on és possible una conductivitat tèrmica encara més gran, amb la calor transportada per les càrregues. En aquest règim hidrodinàmic, les càrregues interactuen fortament entre si i segueixen lleis similars a les que s'apliquen al transport clàssic de fluids.
Dins d'aquest règim –i sota certes condicions– existeix el que s'anomena el règim quàntic-crític de fluid de Dirac, on el sistema ja no es comporta com un fluid clàssic. La cosa especial d'aquest règim és que, si el sistema electrònic s'escalfa, els electrons i els buits, ambdós calents, coexisteixen i es mouen en la mateixa direcció sota un gradient tèrmic, conservant el moment total. Això permet una propagació de la calor molt més eficient que en altres règims de transport. Fins ara, els intents d'observar aquest fenomen a temperatura ambient no havien tingut èxit.
Els autors d'aquest treball van aconseguir seguir el transport de calor en el grafè (concretament, en un dispositiu de grafè encapsulat per nitrur de bor hexagonal) a temperatura ambient mitjançant una tècnica anomenada microscòpia termoelèctrica espai-ultra ràpida. Així, van poder observar la propagació de la calor en el grafè a temperatura ambient gràcies a l’ús de polsos de llum ultracurts, desplaçats en l’espai i en el temps amb una precisió de nanòmetres i femtosegons, mentre es mesurava el corrent termoelèctric generat.
Els investigadors van demostrar en primer lloc que amb la seva tècnica s'observava la propagació de calor esperada quan s'examinava en el règim difusiu comú. A continuació, van estudiar el règim hidrodinàmic, en què van registrar una propagació de calor fortament potenciada, corresponent a una enorme difusivitat tèrmica i una conductivitat tèrmica electrònica que superava la ja altíssima conductivitat tèrmica de la xarxa cristal·lina.
També es va demostrar la capacitat de controlar la quantitat de calor que es propaga, ajustant el sistema perquè entri i surti del règim de fluid de Dirac. Per això, van variar de forma independent la potència del làser –que es tradueix en una modificació de la temperatura dels electrons– i els voltatges aplicats al dispositiu a través de portes elèctriques –que actuen sobre un altre important paràmetre del grafè, denominat energia de Fermi. Aquesta transició controlable entre diferents règims de propagació de la calor a temperatura ambient i l'esmentada enorme difusivitat tèrmica no s'havia observat abans.
Segons explica el Dr. Klaas-Jan Tielrooij, coordinador de la feina i Cap Júnior de Grup en el ICN2 és “sorprenent” veure que fenòmens hidrodinàmics inaccessibles experimentalment fins fa uns anys, ara són “assolibles a temperatura ambient utilitzant grafè encapsulat estàndard, i fins i tot potencialment útils per a aplicacions en la vida real per a la gestió tèrmica".
Precisament, el procés continu de miniaturització i integració dels circuits electrònics en telèfons mòbils, ordinadors, etc., comporta una demanda cada vegada més gran de gestió tèrmica eficaç, ja que la dissipació de l'excés de calor és necessària per garantir el correcte funcionament dels dispositius. El flux de calor en el grafè, un material molt fi que presenta característiques extraordinàries pel que fa a duresa, flexibilitat, conductivitat i molt més, està sent molt estudiat per la seva potencialitat per a una àmplia gamma d'aplicacions.
La investigació ha estat liderada a terme per investigadors de l'Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2) i de l'Institut de Ciències Fotòniques (ICFO), pertanyents al Barcelona Institute of Science and Technology (BIST) a Espanya. El treball va ser coordinat pel Dr. Klaas-Jan Tielrooij, líder del Grup Ultrafast Dynamics in Nanoscale Systems de l'ICN2, en col·laboració amb els professors Niek van Hulst i Frank Koppens de l'ICFO, i Stephan Roche de l'ICN2. El primer autor d'l'article és el Dr. Alexander Block, afiliat tant a l'ICFO com a l'ICN2. En aquest estudi també van participar Alessandro Principi, de la Universitat de Manchester (Regne Unit), i investigadors de l'Institut Nacional de Ciències dels Materials de Tsukuba (Japó).
