Transporte térmico em P8-Schwarzitas : uma classe de estruturas porosas e cristalinas à base de carbono

Abstract

Resumo: Foram estudadas, através de simulações de dinâmica molecular, as propriedades térmicas de Schwarzitas, estruturas cristalinas de carbono baseadas em superfícies mínimas, e o impacto da curvatura gaussiana nessas propriedades. Para isso, foram selecionadas quatro Schwarzitas, divididas em dois grupos de acordo com a intensidade de suas curvaturas, cujas condutividades térmicas foram calculadas usando o método de Green-Kubo. Foi mostrado que as Schwarzitas com curvatura negativa mais acentuada têm condutividades térmicas significativamente mais altas (153.9 e 31.8 W/mK) em comparação com as de curvatura mais plana (cerca de 5 W/mK). Através de uma análise dos modos de vibração dessas estruturas, mostramos que essa variação na condutividade está ligada à diferença na velocidade de grupo de fônons entre os dois grupos de Schwarzitas. Os valores de condutividade encontrados para as Schwarzitas de curvatura plana são semelhantes aos de materiais termoelétricos amplamente utilizados, sugerindo que as Schwarzitas têm potencial para aplicações termoelétricas. Além disso, dado que a curvatura nas Schwarzitas pode ser manipulada por meio da introdução de anéis de carbono não-hexagonais, surge a possibilidade de manipular a topologia desses materiais com a finalidade de alterar suas propriedades de transporte térmico

Abstract: The thermal properties of Schwarzites, carbon crystal structures based on minimal surfaces, and the impact of Gaussian curvature on these properties were studied through molecular dynamics simulations. Four Schwarzites were selected and divided into two groups based on the intensity of their curvatures, with their thermal conductivities calculated using the Green-Kubo method. It was shown that Schwarzites with more pronounced negative curvature exhibit significantly higher thermal conductivities (153.9 and 31.8 W/mK) compared to those with flatter curvature (around 5 W/mK). Analysis of the vibrational modes of these structures indicated that this variation in conductivity is related to differences in the phonon group velocities between the two Schwarzite groups. The thermal conductivity values found for the flatter Schwarzites are similar to those of widely used thermoelectric materials, suggesting that Schwarzites have potential for thermoelectric applications. Additionally, since the curvature in Schwarzites can be manipulated by introducing non-hexagonal carbon rings, there is potential to adjust the topology of these materials to modify their thermal transport properties