Härom dagen fick jag syn på ordet grafen i ett lite oväntat sammanhang, nämligen i en cykelaffär. Det görs tydligen cykeldäck med kompositmaterial som innehåller grafen, och som ska ha alla möjliga fantastiska egenskaper. Det har de förmodligen också, men det finns andra framtida tillämpningar av grafen som jag tycker är mycket mer spännande. Till exempel har forskare på MC2 på Chalmers kommit ett steg närmare ett effektivt sätt att använda grafen i elektronik. Inte nödvändigtvis som elektrisk ledare, trots att grafen har utmärkt elektronisk ledningsförmåga, utan som värmeledare. Dessutom är det inte rent grafen, utan grafen bundet till långa organiska molekyler det gäller.
I själva studien, som är publicerad i Nature Communications, får vi veta att problemet forskarna tagit sig an har två delar: Dels sjunker den fantastiska värmeledningsförmågan i grafen till nära en tiondel när man lägger det på ett annat material, ett så kallat substrat, och dels kan kontakten mellan grafenet och substratet bli så dålig att det hindrar värmen från att spridas från punkten där värmen genererars, en elektrisk krets t.ex., till själva grafenskiktet som ska leda bort värmen. För att lösa problemen har man funktionaliserat grafenet, d.v.s. låtit det reagera med molekyler som skapar en stark kemisk bindning till grafenet och i det här fallet hamnar mellan grafenet och substratet. De visar sig förbättra både ledningsförmågan i själva grafenplanet och kontakten med substratet.
Att värmeledningen mellan substratet och grafenet förbättras för att man lägger ett extra lager molekyler emellan kan verka lite märkligt, men har att göra med hur grafenet sitter ihop med substratet respektive molekylerna. Lägger man grafen direkt på substratet så kommer det att sitta fast med en så kallad van der Waals-bindning som är ganska svag. Värmetransporten mellan substrat och grafen sker via kollektiva vibrationer hos atomerna i substratet och grafenet, så kallade fononer, och den svaga bindningen gör att det bara är vissa fononer som kan bidra till värmetransporten mellan substrat och grafen. Molekylerna man funktionaliserat grafenet med skapar istället starka s.k. elektronpar-bindningar till både substratet och grafenet, och kan därför leda fononer i ett bredare intervall av frekvenser från substratet till grafenet. För att värmeöverföringen verkligen ska bli bättre krävs dock att man har ganska många molekyler per ytenhet, åtminstone en per kvadrat-nanometer enligt studien.
Men värmeledningsförmågan i själva grafenet då? Jo, en stor anledning till att den blir så mycket sämre när grafenet ligger på ett substrat är att även om bindningen mellan grafen och substrat är svag, så är den stark nog att påverka just de atomvibrationer, eller fononer, som betyder mest för värmeledningen i grafen. Det handlar om vibrationer där atomerna tillsammans rör sig vinkelrätt mot själva grafenplanet, på ungefär samma sätt som ett trumskinn eller en studsmatta kan svänga upp och ner. När man lägger grafenet på ett substrat hindras de här vibrationerna, och de krockar också med liknande vibrationer i substratet. Med ett lager molekyler emellan kan vibrationerna inte krocka lika lätt, vilket ökar värmetransporten.
Inga kommentarer:
Skicka en kommentar