Un material poco probable arseniuro de boro cúbico, podría ofrecer una conductividad térmica extraordinariamente alta, a la par con el estándar de la industria establecido por el costoso diamante, informan los investigadores en la edición actual de la revista Cartas de revisión física .
El descubrimiento de que el compuesto químico de boro y arsénico podría rivalizar con el diamante, el conductor térmico más conocido, sorprendió al equipo de físicos teóricos del Boston College y del Laboratorio de Investigación Naval. Pero un nuevo enfoque teórico permitió al equipo descubrir el secreto de la capacidad potencialmente extraordinaria del arseniuro de boro para conducir el calor.
Menor, Los dispositivos microelectrónicos más rápidos y potentes plantean el enorme desafío de eliminar el calor que generan. Los buenos conductores térmicos colocados en contacto con tales dispositivos canalizan el calor rápidamente lejos de los "puntos calientes" no deseados que disminuyen la eficiencia de estos dispositivos y pueden hacer que fallen.
El diamante es la piedra preciosa más preciada. Pero, más allá de su brillo y belleza en joyería, tiene muchas otras propiedades notables. Junto con sus primos de carbono, el grafito y el grafeno, el diamante es el mejor conductor térmico a temperatura ambiente, que tenga una conductividad térmica de más de 2, 000 vatios por metro por Kelvin, que es cinco veces superior a los mejores metales como el cobre. En la actualidad, El diamante se usa ampliamente para ayudar a eliminar el calor de los chips de computadora y otros dispositivos electrónicos. Desafortunadamente, el diamante es raro y caro, y el diamante sintético de alta calidad es difícil y costoso de producir. Esto ha estimulado la búsqueda de nuevos materiales con conductividades térmicas ultraaltas, pero se ha avanzado poco en los últimos años.
La alta conductividad térmica del diamante es bien conocida, resultante de la ligereza de los átomos de carbono constituyentes y los enlaces químicos rígidos entre ellos, según el coautor David Broido, profesor de física en Boston College. Por otra parte, No se esperaba que el arseniuro de boro fuera un conductor térmico particularmente bueno y, de hecho, se había estimado, utilizando criterios de evaluación convencionales, que tenía una conductividad térmica 10 veces menor que la del diamante.
El equipo descubrió que la conductividad térmica calculada del arseniuro de boro cúbico es notablemente alta, más de 2000 vatios por metro por Kelvin a temperatura ambiente y superando la del diamante a temperaturas más altas, según Broido y los coautores Tom Reinecke, científico senior del Laboratorio de Investigaciones Navales, y Lucas Lindsay, un investigador postdoctoral en NRL que obtuvo su doctorado en BC.
Broido dijo que el equipo utilizó un enfoque teórico desarrollado recientemente para calcular las conductividades térmicas, que habían probado previamente con muchos otros materiales bien estudiados. Confiados en su enfoque teórico, el equipo echó un vistazo más de cerca al arseniuro de boro, cuya conductividad térmica nunca se ha medido.
A diferencia de los metales, donde los electrones transportan calor, El diamante y el arseniuro de boro son aislantes eléctricos. Para ellos, el calor es transportado por ondas vibratorias de los átomos constituyentes, y la colisión de estas ondas entre sí crea una resistencia intrínseca al flujo de calor. El equipo se sorprendió al encontrar una interacción inusual de ciertas propiedades vibratorias en el arseniuro de boro que se encuentran fuera de las pautas comúnmente utilizadas para estimar la conductividad térmica de los aislantes eléctricos. Resulta que es mucho menos probable que ocurran las colisiones esperadas entre ondas vibratorias en un cierto rango de frecuencias. Por lo tanto, en estas frecuencias, Se pueden conducir grandes cantidades de calor en arseniuro de boro.
"Este trabajo proporciona una nueva visión importante de la física del transporte de calor en materiales, e ilustra el poder de las técnicas computacionales modernas para hacer predicciones cuantitativas para materiales cuyas conductividades térmicas aún no se han medido, " said Broido. "We are excited to see if our unexpected finding for boron arsenide can be verified by measurement. Si es así, it may open new opportunities for passive cooling applications using boron arsenide, and it would further demonstrate the important role that such theoretical work can play in providing useful guidance to identify new high thermal conductivity materials."
