Un equipo internacional de físicos, científicos de materiales, e ingenieros mecánicos han confirmado la alta conductividad térmica predicha en el nitruro de boro cúbico enriquecido isotópicamente, Los investigadores informan en la edición electrónica avanzada de la revista. Ciencias .

La conductividad térmica de un material transmite cuánto calor puede atravesarlo cuando sus extremos están a diferentes temperaturas. Los materiales con conductividad térmica muy alta tienen importantes aplicaciones tecnológicas, como refrigeración microelectrónica. Pero se han descubierto muy pocos de ellos.

Los teóricos habían predicho que el nitruro de boro cúbico isotópicamente puro (c-BN), debe tener una conductividad térmica extremadamente alta, solo superada por los cristales hechos de carbono, como el diamante.

"Queríamos determinar si se puede hacer que c-BN de alta calidad observe las grandes magnitudes de conductividad térmica en c-BN, y si el enorme aumento de la conductividad térmica con la purificación isotópica predicha a partir de cálculos teóricos se mide en el material real, "dijo el profesor de Física del Boston College David Broido, coautor del informe.

c-BN es particularmente difícil de hacer. También, es difícil medir la conductividad térmica con precisión cuando el valor es alto. El equipo superó estos desafíos, y los valores de conductividad térmica medidos para las muestras de c-BN estaban bastante cerca de los que habían calculado.

"El estudio confirma que c-BN es uno de los pocos materiales de conductividad térmica ultra alta, y muestra que tiene el mayor aumento en su conductividad térmica sobre el enriquecimiento isotópico jamás observado, "Dijo Broido.

El equipo también estudió los compuestos relacionados, fosfuro de boro (BP) y arseniuro de boro (BA). La mayoría de los elementos de la naturaleza tienen mezclas de isótopos, Broido explicó. Por ejemplo, el boro natural tiene dos isótopos, aproximadamente el 20 por ciento de boro-10 y el 80 por ciento de boro-11. Estos diferentes isótopos en todo el material producen un desorden que se suma a la resistencia térmica. Al hacer el material con un solo isótopo (ya sea solo B-10 o solo B-11) a través del enriquecimiento isotópico, esta resistencia se reduce por lo que aumenta la conductividad térmica, él dijo.

Por una notable coincidencia de la naturaleza, los elementos nitrógeno, fósforo y arsénico, que se unen naturalmente con el boro para formar c-BN, BP y BA, tienen un solo isótopo. Entonces, para estos compuestos, el desorden isotópico está solo en los átomos de boro y, por lo tanto, es el mismo en los tres compuestos elaborados con boro natural, Broido dijo. Todavía, El enriquecimiento isotópico de los átomos de boro dio como resultado el doble de conductividad térmica para c-BN, pero aumentos mucho menores para BP y BA.

Los átomos de boro y nitrógeno tienen aproximadamente la misma masa, mientras que el arsénico y el fósforo son más pesados.

"Demostramos que las masas más grandes de arsénico y fósforo en comparación con el boro causaron que el desorden isotópico en BA y BP diera solo una pequeña resistencia al flujo de calor, "dijo Broido, quien realizó cálculos teóricos con la becaria postdoctoral del Boston College Navaneetha K. Ravichandran. "Es como si el trastorno isotópico se volviera invisible para el calor que fluye a través de las muestras de BA y BP".

A diferencia de, la eliminación de la misma cantidad de desorden a través del enriquecimiento isotópico en c-BN da como resultado un enorme aumento de la conductividad térmica.

En todo, 24 investigadores contribuyeron al proyecto. Además de Boston College, el equipo incluyó los grupos de investigación de Gang Chen en el MIT, David Cahill en la Universidad de Illinois, Urbana-Champaign, Li Shi de la Universidad de Texas en Austin, Bing Lv en la Universidad de Texas en Dallas, Zhifeng Ren en la Universidad de Houston, y Takashi Taniguchi del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón.

"Fue asombroso ver que los datos medidos y los cálculos teóricos coincidían tan estrechamente entre sí. La teoría no tiene parámetros que puedan ajustarse para ajustarse a las mediciones. O está de acuerdo con las mediciones o no, ", dijo Broido." El excelente acuerdo destaca la precisión de la teoría, la precisión de las medidas, y la alta pureza de las muestras ".

Broido dijo que se necesita más investigación para comprender mejor los tipos de defectos que ocurren en c-BN que actúan para reducir su conductividad térmica. Debido a que estos materiales de conductividad térmica ultra alta son tan raros, espera que las búsquedas teóricas y computacionales puedan identificar nuevos candidatos y desentrañar los misterios que rodean sus propiedades habituales.