Revelação Surpreendente: Grafeno Perde Título de Melhor Condutor de Calor Mundial

O grafeno, formado por uma única camada de átomos de carbono, tem sido reconhecido como uma destacada inovação na ciência dos materiais. No entanto, os pesquisadores Zherui Han e Xiulin Ruan, da Universidade Purdue, EUA, questionam a suposta revolucionariedade de suas propriedades térmicas.

A concessão do Prêmio Nobel de Física em 2010, apenas seis anos após a descoberta do grafeno, impulsionou não apenas a notoriedade do material, mas também o interesse em sua pesquisa, já que qualquer experimento envolvendo grafeno parecia justificável.

Por exemplo, há a afirmação de que o grafeno conduz eletricidade de maneira superior a qualquer outro material conhecido pela ciência, sendo também reconhecido por sua resistência. Os estudiosos do transporte térmico prontamente atribuíram-lhe o título de melhor condutor de calor do mundo.

“Historicamente, acreditava-se que o diamante era o material com a maior condutividade térmica”, explicou Han. “Este é o material capaz de transferir calor com maior rapidez. No entanto, quando o grafeno surgiu, estudos fundamentais indicavam que ele superava significativamente o diamante.” Entretanto, parece que esses estudos estavam equivocados.

Comparando Grafeno e Diamante

A condutividade térmica, medida em watts por metro por Kelvin [W/(m.K)], é frequentemente considerada em torno de 2.000 para o diamante. Inicialmente, as estimativas para o grafeno ultrapassaram 5.000, mas medições e modelagens posteriores refinaram esse número para cerca de 3.000, ainda superior ao diamante.

No entanto, novos cálculos de Zherui Han e Xiulin Ruan indicam uma condutividade térmica do grafeno à temperatura ambiente de aproximadamente 1.300 W/(m.K), não apenas inferior à do diamante, mas também inferior ao material bruto de grafite, do qual o grafeno é derivado. O grafeno, uma única camada de átomos de carbono, não exibe mais a superioridade térmica inicialmente atribuída.

A diferença nos resultados se explica pelo fenômeno conhecido como espalhamento de quatro fônons, sendo os fônons quasipartículas responsáveis pela condução térmica. Até recentemente, os cientistas consideravam apenas o espalhamento de três fônons para prever a transferência de calor em sólidos. No entanto, em 2016, a equipe liderada por Ruan desenvolveu uma teoria abrangente de espalhamento de quatro fônons, conseguindo quantificá-lo com êxito um ano depois.

O avanço

Esse avanço revelou que o espalhamento de quatro fônons se torna o principal canal de transferência de calor no grafeno em comparação com o espalhamento de três fônons, desafiando interpretações anteriores baseadas na bidimensionalidade do material.

Descobertas anteriores sugeriam que a bidimensionalidade restringiria o espalhamento de três fônons, teoricamente conferindo ao grafeno uma condutividade térmica muito superior à de materiais brutos. No entanto, o espalhamento de quatro fônons não é limitado pela natureza 2D do grafeno; pelo contrário, o efeito é notavelmente robusto. O estudo demonstrou que o espalhamento de quatro fônons emerge como o principal canal de condução térmica no grafeno, desafiando interpretações anteriores baseadas na bidimensionalidade do material.

Os resultados até agora são teóricos, mas a equipe está colaborando com experimentalistas para validar essas previsões. “Sendo o grafeno o primeiro material bidimensional, muitas pessoas pensaram que ele seria algo mágico,” disse Han. “Acreditava-se que ele tinha todas essas propriedades superiores: térmicas, mecânicas, ópticas, elétricas. Como pesquisadores térmicos, é nosso trabalho estabelecer se essa parte é verdadeira. O grafeno ainda é um bom condutor de calor, mas nosso trabalho prevê que ele não é melhor do que o diamante.”

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