石墨烯是一种由单层碳原子组成的材料，被许多人誉为材料科学领域的“下一件大事”。但据普渡大学的研究人员称，它的热特性可能不像以前想象的那样具有革命性。
“石墨烯是人类创造的第一种二维材料，”机械工程教授阮秀林说。“它基本上是一层碳，一个原子厚。它于2004年首次被发现，并于2010年获得诺贝尔物理学奖。从那时起，由于其独特的特性，许多研究人员对其进行了研究。”
例如，石墨烯据说比科学上已知的任何其他材料都具有更好的导电性，并以其材料强度而闻名。热输运研究人员也很快给了它最佳导热体的称号。
“以前，人们认为导热性最高的材料是钻石，”阮教授实验室的博士生韩哲瑞(音译)说。“这种材料可以最快地传递最多的热量。但当石墨烯问世后，主流研究表明它比钻石要好得多。”
热导率的测量单位是瓦特每米每开尔文。在这个尺度上，钻石的热导率通常被认为是2000左右。但当科学家们开始测量石墨烯的导热性时，早期的估计达到了5000以上。显然，这引起了像阮这样的科学家的兴趣，他的研究重点是传热。
“然而，随后的实验测量和建模已经改进了石墨烯的导热性，”阮说。“最近的一些论文将这一数字提高到3000左右，这仍然比钻石好得多。但我们发现了完全不同的东西。”
阮的团队预测石墨烯在室温下的导热系数为1300 W/(m K)——不仅低于金刚石，也低于制造石墨烯的石墨原料。
他们的研究发表在《物理评论B》上。
他们的工作与以前的工作之间的差异归结为一种叫做四声子散射的现象。声子是传热科学家在量子力学水平上描述固体中热量运动的方式。直到最近，研究人员还只能通过理解三声子散射来预测固体中的热量传递。
但在2016年，阮的团队开发了四声子散射的一般理论，一年后他们成功地量化了四声子散射。这使得阮在2023年获得了国际音学学会的最高荣誉。
那么，这与石墨烯有什么关系呢?“石墨烯是一种只有一个原子厚度的二维材料，”韩说。
“以前的研究表明，三声子散射将受到这种二维性的限制，这在理论上使石墨烯比块状材料更具导热性。但四声子散射不受石墨烯二维性质的限制;事实上，这种影响是相当强烈的。我们的工作表明，四声子散射成为石墨烯中最主要的散射通道，而不是三声子散射。这是一个惊人的结果。”
这一发现的一个障碍是原始计算能力的可用性。计算这种四声子散射需要并行计算策略，本质上是利用一个具有1tb内存的计算集群。这是在普渡大学的罗森高级计算中心完成的。
目前，这些计算都是理论上的。该团队与德克萨斯大学奥斯汀分校的李石教授合作，在国家科学基金会的资助下，通过实验验证了这些发现。之前对石墨烯的测量有很大的误差条，需要缩小误差条来验证他们的理论。他们还计划预测石墨烯多层原子的导热性，而不仅仅是一层。
“在没有实验验证的情况下，我们知道社区会对这种非常非主流的预测持怀疑态度，”阮说。
“2017年，当我们预测砷化硼的类似方面时，我们也面临着同样的质疑。幸运的是，一年后的三个重要实验证实了这一预测。从那时起，我们的四声子散射理论得到了越来越多的实验证据的支持，我们希望这一次它也能适用于石墨烯。我们将软件开源，这样其他科学家就可以测试四声子理论。”
Zherui Han在GitHub上发布了他的四声子导热求解器，并发表了一篇描述该软件使用方法的论文。任何传热科学家都可以使用该软件进行类似的研究。
“石墨烯是第一个二维材料，很多人认为它就像魔术一样，”韩说。“人们认为它具有所有这些优越的性能:热学、机械、光学和电学。作为热研究人员，我们的工作是确定这部分是否属实。石墨烯仍然是一种很好的导热体，但我们的工作预测它不会比钻石好。”
“我总是说例外是科学向前发展的方式，”阮说。“我们对我们的发现持谨慎乐观的态度。通过四声子散射，我们希望在未来对这些材料进行更准确的理论评估。”
