Conductividad térmica y el grafeno

El transporte térmico en grafeno es un área de investigación próspera, gracias a las extraordinarias propiedades de conductividad térmica del grafeno y su potencial para su uso en aplicaciones de gestión térmica.

La conductividad térmica medida del grafeno está en el rango de 3000 – 5000 W / mK a temperatura ambiente, una cifra excepcional en comparación con la conductividad térmica del grafito pirolítico de aproximadamente 2000 W⋅m −1 ⋅K −1 a temperatura ambiente. Sin embargo, existen otras investigaciones que estiman que este número es exagerado y que la conductividad térmica del grafeno en el plano a temperatura ambiente es de aproximadamente 2000–4000 W⋅m −1 ⋅K – 1 para muestras suspendidas libremente. Este número todavía se encuentra entre los más altos de cualquier material conocido.

El grafeno se considera un excelente conductor del calor, y varios estudios han encontrado que tiene un potencial ilimitado para la conducción del calor según el tamaño de la muestra, lo que contradice la ley de la conducción térmica (ley de Fourier) en la escala del micrómetro. Tanto en las simulaciones por ordenador como en los experimentos, los investigadores descubrieron que cuanto mayor es el segmento de grafeno, más calor podría transferir. Teóricamente, el grafeno podría absorber una cantidad ilimitada de calor.

La conductividad térmica aumenta logarítmicamente, y los investigadores creen que esto podría deberse al patrón de unión estable, además de ser un material 2D. Como el grafeno es considerablemente más resistente al desgarre que el acero y también es ligero y flexible, su conductividad podría tener algunas aplicaciones atractivas del mundo real.

Pero, ¿qué es exactamente la conductividad térmica?

La conducción de calor (o conducción térmica) es el movimiento de calor de un objeto a otro, que tiene una temperatura diferente, a través del contacto físico. El calor se puede transferir de tres formas: conducción, convección y radiación. La conducción de calor es muy común y se puede encontrar fácilmente en nuestras actividades diarias, como calentar la mano de una persona con una bolsa de agua caliente, y mucho más. El calor fluye desde el objeto con la temperatura más alta a la más fría.

La transferencia térmica tiene lugar a nivel molecular, cuando la energía térmica es absorbida por una superficie y causa colisiones microscópicas de partículas y movimiento de electrones dentro de ese cuerpo. En el proceso, chocan entre sí y transfieren la energía a su «vecino», un proceso que continuará mientras se agregue calor.

El proceso de conducción de calor depende principalmente del gradiente de temperatura (la diferencia de temperatura entre los cuerpos), la longitud de la trayectoria y las propiedades de los materiales involucrados. No todas las sustancias son buenos conductores del calor: los metales, por ejemplo, se consideran buenos conductores porque transfieren calor rápidamente, pero los materiales como la madera o el papel se consideran malos conductores del calor. Los materiales que son malos conductores del calor se conocen como aislantes.

¿Cómo se pueden utilizar las excitantes propiedades de conducción térmica del grafeno?

Algunas de las aplicaciones potenciales para la gestión térmica habilitada con grafeno incluyen la electrónica, que podría beneficiarse enormemente de la capacidad del grafeno para disipar el calor y optimizar la función electrónica. En la micro y nanoelectrónica, el calor suele ser un factor limitante para componentes más pequeños y más eficientes. Por lo tanto, el grafeno y materiales similares con una conductividad térmica excepcional pueden tener un enorme potencial para este tipo de aplicaciones.

La conductividad térmica del grafeno se puede usar de muchas maneras, incluidos los materiales de interfaz térmica (TIM), los esparcidores de calor, las grasas térmicas (capas delgadas generalmente entre una fuente de calor como un microprocesador y un disipador de calor), nanocompuestos basados ​​en grafeno y más.

Los socios de Graphene Flagship , Aernnova, Grupo Antolin-Ingenieria y Airbus, han producido una vanguardia para el plano de cola horizontal del Airbus A350 utilizando compuestos mejorados con grafeno. Como la primera parte del plano de la cola para entrar en contacto con el aire, el borde de ataque está sujeto a temperaturas extremas causadas por el calentamiento por compresión del aire por delante del ala. Por ello, debe poseer excelentes propiedades mecánicas y térmicas.

«Aernnova suministró la resina a Grupo Antolin-Ingenieria, quien agregó grafeno directamente a la resina y aplicó las fuerzas de molienda», dijo Ana Reguero de Aernnova. “Esto crea pequeñas partículas de grafeno, un paso importante para obtener una buena infiltración de grafeno dentro de la resina, evitando impurezas no deseadas, como los solventes, que pueden alterar la viscosidad de la resina. «Es importante mantener la viscosidad correcta de la resina para garantizar el resultado óptimo durante el moldeo por transferencia de resina del borde de ataque».