Des scientifiques du Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) de Mayence et de l'Université nationale de Singapour ont attesté que la conductivité thermique du graphène diverge avec la taille des échantillons. Cette découverte remet en question les lois fondamentales de la conduction thermique pour les matériaux étendus.

Davide Donadio, responsable d'un groupe de recherche Max Planck au MPI-P, et son partenaire de Singapour ont pu prédire ce phénomène avec des simulations informatiques et le vérifier expérimentalement. Leurs recherches et leurs résultats sont maintenant présentés dans la revue scientifique Communication Nature .

"Nous avons reconnu des mécanismes de transfert de chaleur qui contredisent en fait la loi de Fourier à l'échelle micrométrique. Maintenant, toutes les mesures expérimentales précédentes de la conductivité thermique du graphène doivent être réinterprétées. Le concept même de conductivité thermique en tant que propriété intrinsèque ne vaut pas pour le graphène, au moins pour des patchs aussi grands que plusieurs micromètres", dit Davide Donadio.

Les constantes matérielles sont-elles finalement modifiables ?

Le physicien français Joseph Fourier avait postulé les lois de la propagation de la chaleur dans les solides. Par conséquent, La conductivité thermique est une propriété intrinsèque du matériau qui est normalement indépendante de la taille ou de la forme. Dans le graphène, une couche bidimensionnelle d'atomes de carbone, ce n'est pas le cas, comme nos scientifiques l'ont maintenant découvert. Avec des expériences et des simulations informatiques, ils ont constaté que la conductivité thermique augmente de manière logarithmique en fonction de la taille des échantillons de graphène :plus les patchs de graphène sont longs, plus la chaleur peut être transférée par unité de longueur.

C'est une autre propriété unique de ce matériau miracle très apprécié qu'est le graphène :il est chimiquement très stable, souple, cent fois plus résistant à la déchirure que l'acier et en même temps très léger. Le graphène était déjà connu pour être un excellent conducteur de chaleur :La nouveauté ici est que sa conductivité thermique, qui était jusqu'ici considérée comme une constante matérielle, varie à mesure que la longueur du graphène augmente. Après analyse des simulations, Davide Donadio a découvert que cette caractéristique découle de la combinaison d'une dimensionnalité réduite et d'une liaison chimique rigide, qui font se propager les vibrations thermiques avec une dissipation minimale dans des conditions de non-équilibre.

Refroidissement optimal pour la nanoélectronique

Dans la micro- et la nano-électronique, la chaleur est le facteur limitant pour les composants plus petits et plus efficaces. Par conséquent, les matériaux à conductivité thermique pratiquement illimitée recèlent un potentiel énorme pour ce type d'applications. Des matériaux aux propriétés électroniques exceptionnelles qui s'auto-refroidissent également, comme le graphène pourrait être, sont le rêve de tout ingénieur électronicien.

Davide Donadio, un chercheur d'origine italienne, déjà traité des nanostructures de carbone, procédés de cristallisation et matériaux thermoélectriques lors de ses études à Milan, ses séjours de recherche à l'ETH Zurich (Suisse) et à l'Université de Californie, Davis (États-Unis). Depuis 2010, il a enquêté, entre autres, transport thermique dans les nanostructures en utilisant la physique théorique et en simulant le comportement atomique de substances avec son groupe de recherche Max Planck au MPI-P.