Logam yang seperti air

Graphene mungkin akan mengubah dunia. Sejak penemuannya satu dekade lalu, ilmuwan dan ahli teknologi telah memuji graphene sebagai bahan yang bisa menggantikan silikon dalam elektronik, meningkatkan efisiensi baterai, daya tahan dan konduktivitas layar sentuh dan membuka jalan untuk murah energi listrik termal di antara banyak hal-hal lain.

Itu salah satu atom tebal, lebih kuat dari baja, lebih keras dari berlian dan salah satu bahan yang paling konduktif di bumi.

Tapi beberapa tantangan harus diatasi sebelum produk graphene dibawa ke pasar. Para ilmuwan masih mencoba untuk memahami fisika dasar materi yang unik ini. Juga itu sangat menantang untuk membuat dan bahkan sulit untuk membuat tanpa kotoran.

Dalam laporan yang baru dipublikasikan di Science, para peneliti di Harvard dan Raytheon BBN Teknologi telah maju dengan pemahaman kita tentang sifat dasar graphene, mengamati untuk pertama kalinya elektron dalam logam berperilaku seperti cairan.

Dalam rangka untuk membuat pengamatan ini, tim meningkatkan metode untuk membuat graphene ultra bersih dan mengembangkan cara baru mengukur konduktivitas termal. Penelitian ini dapat menyebabkan perangkat thermoelectric baru serta menyediakan sistem model untuk mengeksplorasi fenomena eksotis seperti lubang hitam dan plasma berenergi tinggi.

Penelitian ini dipimpin oleh Philip Kim, profesor fisika dan fisika terapan di John A. Paulson Sekolah Teknik dan Ilmu Terapan (SEAS).

logam-seperti-air

Sebuah jalan raya super elektron

Dalam biasa, logam tiga dimensi elektron tidak berinteraksi satu sama lain. Tapi dua dimensi struktur sarang lebah graphene bertindak seperti superhighway elektron di mana semua partikel harus melakukan perjalanan di jalur yang sama. Elektron dalam graphene bertindak seperti objek relativistik bermassa, beberapa dengan muatan positif dan beberapa dengan muatan negatif. Mereka bergerak dengan kecepatan-1 yang luar biasa / 300 dari kecepatan cahaya dan telah diprediksi saling bertabrakan sepuluh triliun kali per detik pada suhu kamar. Interaksi yang intens antara partikel muatan tidak pernah diamati dalam logam biasa sebelumnya.

Tim ini menciptakan sampel ultra bersih dengan mengapit satu-atom tebal lembaran graphene antara puluhan lapisan kristal transparan isolasi elektrik sempurna dengan struktur atom graphene yang sama.

“Jika Anda memiliki bahan satu atom tebal, itu akan benar-benar dipengaruhi oleh lingkungannya”, kata Jesse Crossno, seorang mahasiswa pascasarjana di Kim Lab dan penulis pertama journal. “Jika graphene adalah di atas sesuatu yang kasar dan tidak teratur, itu akan mengganggu bagaimana elektron bergerak. Ini sangat penting untuk membuat graphene tanpa gangguan dari lingkungannya”.

Teknik ini dikembangkan oleh Kim dan rekan-rekannya di Columbia University sebelum ia pindah ke Harvard pada tahun 2014 dan sekarang telah disempurnakan di lab di LAUT.

Selanjutnya tim mendirikan semacam sup panas partikel bermuatan positif dan bermuatan negatif pada permukaan graphene dan mengamati bagaimana partikel-partikel mengalir sebagai arus panas dan listrik.

Apa yang mereka diamati terbang dalam menghadapi segala sesuatu yang mereka tahu tentang logam.

Sebuah lubang hitam pada sebuah chip

Sebagian besar arus air dunia (hidrodinamika) atau bagaimana kurva-kurva bola ini dijelaskan oleh fisika klasik. Hal yang sangat kecil seperti elektron dijelaskan oleh mekanika kuantum sementara hal-hal yang sangat besar dan sangat cepat seperti galaksi dijelaskan oleh fisika relativistik, dipelopori oleh Albert Einstein.

Menggabungkan hukum-hukum fisika ini sangat sulit tetapi ada contoh ekstrim di mana mereka tumpang tindih. Sistem energi tinggi seperti supernova dan lubang hitam dapat digambarkan dengan menghubungkan teori klasik hidrodinamika dengan teori relativitas Einstein.

Tapi itu sulit untuk menjalankan eksperimen pada lubang hitam. Masukkan graphene. Ketika partikel berinteraksi kuat di graphene didorong oleh medan listrik, mereka berperilaku tidak seperti partikel individu tapi seperti cairan yang bisa dijelaskan oleh hidrodinamika.

“Alih-alih menonton bagaimana partikel tunggal dipengaruhi oleh kekuatan listrik atau termal, kita bisa melihat energi dilestarikan karena mengalir di banyak partikel seperti gelombang melalui air”, kata Crossno.

“Fisika kami menemukan dengan mempelajari lubang hitam dan teori string yang kita lihat di graphene”, kata Andrew Lucas, co-penulis dan mahasiswa pascasarjana dengan Subir Sachdev, yang Herchel Smith Profesor Fisika di Harvard. “Ini adalah sistem model pertama dari hidrodinamika relativistik dalam logam”.

Ke depan sebuah chip kecil graphene dapat digunakan untuk model perilaku cairan seperti sistem energi tinggi lainnya.

Implikasi industri

Jadi kita sekarang tahu bahwa elektron berinteraksi kuat di graphene berperilaku seperti cairan, bagaimana aplikasi industri graphene?

Pertama, untuk mengamati sistem hidrodinamik yang tim dibutuhkan untuk mengembangkan cara yang tepat untuk mengukur bagaimana elektron baik dalam sistem membawa panas. Ini sangat sulit untuk dilakukan, kata co-PI Dr. Kin Chung Fong, ilmuwan dengan Raytheon BBN Technology.

Bahan melakukan panas dengan dua cara: melalui getaran dalam struktur atom atau kisi dan dibawa oleh elektron sendiri.

“Kita perlu menemukan cara cerdas untuk mengabaikan perpindahan panas dari kisi-kisi dan fokus hanya pada berapa banyak panas yang dibawa oleh elektron”, kata Fong.

Untuk melakukannya, tim beralih ke suara. Pada suhu yang terbatas, elektron bergerak secara acak, semakin tinggi suhu, elektron ribut. Dengan mengukur suhu elektron untuk tiga poin desimal, tim mampu untuk secara tepat mengukur konduktivitas termal elektron.

“Konversi energi panas menjadi arus listrik dan sebaliknya terkenal sulit dengan bahan biasa”, kata Lucas. “Tapi pada prinsipnya dengan sampel yang bersih dari graphene mungkin tidak ada batas untuk seberapa baik perangkat Anda bisa membuat”.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.