Una botella termo tiene la tarea de preservar la temperatura, pero a veces desea lograr lo contrario:los chips de computadora generan calor que debe disiparse lo más rápido posible para que el chip no se destruya. Esto requiere materiales especiales con propiedades de conducción de calor particularmente buenas.

En colaboración con grupos de China y Estados Unidos, Por lo tanto, un equipo de investigación de TU Wien se propuso encontrar el conductor de calor óptimo. Finalmente encontraron lo que buscaban en una forma muy específica de nitruro de tantalio:ningún otro material metálico conocido tiene una conductividad térmica más alta. Para poder identificar este material récord, Primero tuvieron que analizar qué procesos juegan un papel en la conducción de calor en tales materiales a nivel atómico. Los resultados ya se han publicado en la revista científica. Cartas de revisión física .

Electrones y vibraciones reticulares

"Básicamente, hay dos mecanismos por los cuales el calor se propaga en un material, "explica el profesor Georg Madsen del Instituto de Química de Materiales en TU Wien." En primer lugar, a través de los electrones que viajan a través del material, llevándose energía con ellos. Este es el mecanismo principal en buenos conductores eléctricos. Y en segundo lugar a través de los fonones, que son vibraciones colectivas de celosía en el material ". Los átomos se mueven, haciendo que otros átomos se tambaleen. A temperaturas más altas, La conducción de calor a través de la propagación de estas vibraciones suele ser el efecto decisivo.

Pero ni los electrones ni las vibraciones de la red pueden propagarse completamente sin obstáculos a través del material. Existen varios procesos que ralentizan esta propagación de energía térmica. Los electrones y las vibraciones de la red pueden interactuar entre sí, pueden esparcirse, pueden detenerse por irregularidades en el material.

En algunos casos, la conducción de calor puede incluso verse dramáticamente limitada por el hecho de que diferentes isótopos de un elemento están integrados en el material, es decir. átomos similares con diferente número de neutrones. En ese caso, los átomos no tienen exactamente la misma masa, y esto afecta el comportamiento vibratorio colectivo de los átomos en el material.

"Algunos de estos efectos se pueden suprimir, pero por lo general no todos al mismo tiempo, "dice Georg Madsen." Es como jugar a Whack-A-Mole:resuelves un problema, y al mismo tiempo surge uno nuevo en otro lugar ".

Nitruro de tantalio, el todoterreno

A pesar de nuestra experiencia diaria de quemarnos las manos con una placa de metal caliente, los metales suelen tener una conductividad térmica mediocre. El metal con la conductividad térmica más alta conocida es la plata, con solo una fracción de la conductividad del diamante, el material que contiene los registros. Pero los diamantes son caros y muy difíciles de procesar.

Con elaborados análisis teóricos y simulaciones por computadora, el equipo finalmente logró identificar un material adecuado:la fase θ hexagonal del nitruro de tantalio. El tantalio es particularmente favorable porque apenas hay isótopos diferentes. Casi el 99,99% del tantalio natural es el isótopo tantalio 181, otras variantes apenas ocurren.

"La combinación con nitrógeno y la geometría especial a escala atómica hacen que la fase sea metálica, y suprime las interacciones de las vibraciones portadoras de calor con otras vibraciones y con los electrones conductores. Son exactamente esas interacciones las que inhiben la conducción de calor en otros materiales, ", dice Georg Madsen." Estas interacciones no son posibles en este material porque violarían la ley de conservación de energía ".

Por lo tanto, esta forma de nitruro de tantalio combina varias ventajas importantes, convirtiéndolo en un material récord con una conductividad térmica varias veces superior a la plata y comparable al diamante.

"Para la industria de chips, El nitruro de tantalio es un material muy prometedor, "Madsen está convencido". Los chips son cada vez más pequeños y más potentes, por lo que la conducción de calor se está convirtiendo en un problema cada vez mayor. Ningún otro material resuelve este problema mejor que el nitruro de tantalio de fase ".