Metal jak ciecz

Od momentu odkrycia dziesięć lat temu, naukowcy okrzyknęli grafen materiałem, który może zastąpić krzem w elektronice, zwiększyć wydajność baterii, wytrzymałość i przewodność ekranów dotykowych i utorować drogę do taniej cieplnej energii elektrycznej. Ten kawałek węgla o grubości jednego atomu jest mocniejszy niż stal, twardszy niż diament i jednym z najlepiej przewodzących materiałów na ziemi.
Niestety, kilka wyzwań należy pokonać, zanim produkty wykorzystujące grafen będą wprowadzone na rynek. Naukowcy wciąż próbują zrozumieć podstawową fizykę tego wyjątkowego materiału. Przede wszystkim jest bardzo trudne otrzymać grafen bez zanieczyszczeń.

ametalthatbe
W nowym artykule opublikowanym w Science, naukowcy z Harvard i Raytheon BBN Technology posunęli naprzód nasze rozumienie podstawowych właściwości grafenu, obserwując po raz pierwszy elektrony w metalu zachowującym się jak ciecz. W celu dokonania tej obserwacji zespół ulepszył metody otrzymywania ultra czystego grafenu i opracował nowy sposób pomiaru przewodności cieplnej. Badania te mogą doprowadzić do powstania nowych urządzeń termoelektrycznych jak również umożliwić badanie egzotycznych zjawisk, takich jak czarne dziury czy plazma o wysokiej energii.

Badania było prowadzone przez Philipa Kima, profesor fizyki w John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).

W zwykłych metalach, o trójwymiarowej siatce krystalicznej, elektrony rzadko zderzają się ze sobą. Ale dwuwymiarowa struktura plastra miodu grafenu działa jak elektronowa autostrada, w którym wszystkie cząstki pędzą tym samym pasem ruchu. Elektrony w grafenie zachowują się bezmasowe, relatywistyczne obiekty, niektóre z ładunkiem dodatnim, a niektóre z ładunkiem ujemnym. Poruszają się z niesamowitą prędkością – 1/300 prędkości światła i zderzają się ze sobą dziesięć bilionów razy na sekundę w temperaturze pokojowej. Te intensywne oddziaływania pomiędzy naładowanymi cząstkami  nigdy nie były wcześniej obserwowane w zwykłym metalu.

Zespół stworzył ultra-czystą próbkę ściskając arkusz grafenu o grubości jednego atomu, między dziesiątkami warstw elektrycznie izolującego doskonale przeźroczystego kryształu o podobnej strukturze atomowej do grafenu.
„Jeśli na górze arkusza grafenu będzie coś szorstkiego i nieuporządkowanego, to ruch elektronów będzie zakłócony. A zatem naprawdę ważne, by stworzyć cienki na jeden atom arkusz grafenu wolny od wpływu otoczenia.”, powiedział Jesse Crossno, doktorant w Pracowni Kima.
Następnie zespół utworzył na powierzchni grafenu rodzaj zupy cieplnej z naładowanych dodatnio i ujemnie cząstek i obserwował jak te cząstki tworzyły przepływające prądy termiczne i elektryczne.

Większość naszej hydrodynamiki jes opisywana przez fizykę klasyczną. Bardzo małe rzeczy, takie jak elektrony, są opisane przez mechanikę kwantową a – bardzo duże i bardzo szybie rzeczy, takie jak galaktyki opisują prawa fizyki relatywistycznej.
Połączenie tych praw fizyki jest bardzo trudne, ale istnieją skrajne przykłady, gdzie się one pokrywają. Systemy o wysokiej energii, takie jak supernowe i czarne dziury mogą być opisane poprzez połączenie klasycznej teorii hydrodynamiki z teorią względności Einsteina.

Niestety dość trudno przeprowadzać eksperymenty na czarnych dziurach, lepiej przeprowadzić je na mikroskopijnym chipie z grafenu.

Gdy silnie oddziałujące cząstki grafenu były napędzane przez pole elektryczne, nie zachowywały się jak pojedyncze cząstki, ale jak ciecz, która może być opisany przez prawa hydrodynamiki.
„Zamiast oglądać jak jedna cząstka została oddziałuje z polem elektrycznym, mogliśmy zobaczyć energię płynącą przez wiele cząstek jak fala przez wodę”, powiedział Crossno.
„Fizykę, którą odkryliśmy studiując czarne dziury i teorię strun, widzimy w grafenie,” – powiedział Andrew Lucas, współautor –  „Jest to pierwszy system model relatywistycznej hydrodynamiki w metalu.” Mały chip grafenu może być używany do modelowania cieczo-podobnych własności systemów o wysokiej energii.

Zastosowania

Skoro teraz wiemy, że silnie oddziałujące elektrony w grafenie zachowywują się jak ciecz, czy możemy pokusić się o znalezienie jakichś przemysłowych zastosowań grafenu?
Po pierwsze, w celu obserwacji systemu hydrodynamicznego, zespół musiał opracować dokładny sposób pomiaru przenoszenia ciepła przez elektrony. Jest to bardzo trudne do zrobienia. Materiały przewodzą ciepło w dwojaki sposób: za pomocą wibracji w strukturze atomowej lub siatki krystalicznej lub przez same elektrony.
Trzeba było znaleźć sprytny sposób, aby ignorować przewodzenie ciepła przez sieć krystaliczną i skupić się tylko cieple  przenoszonym przez elektrony. Aby to zrobić, zespół zmierzył losowy ruch elektronów czyli szum. W danej temperaturze elektrony poruszają się losowo: im wyższa temperatura, tym szybsze są elektrony. Przez pomiar temperatury elektronów do trzech miejsc po przecinku, zespół był w stanie precyzyjnie mierzyć ich przewodność cieplną.
Jednym z zastosowań grafenu może być konwersja energii cieplnej do energii elektrycznej i odwrotnie. Jest zadanie wyjątkowo  trudne w przypadku zwykłych materiałów, ale czysty grafen jest idealny do tego celu.

Udostępnij
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  

Dodaj komentarz