Ερευνητές του Πανεπιστημίου του Χιούστον πέτυχαν μια σημαντική ανατροπή στον τομέα της μεταφοράς θερμότητας, ανατρέποντας τη μέχρι τώρα αντίληψη γύρω από μια βασική ιδιότητα των διαμαντιών.
Η ερευνητική ομάδα απέδειξε ότι το αρσενίδιο του βορίου μπορεί να μεταφέρει θερμότητα πιο αποτελεσματικά από το διαμάντι, το οποίο θεωρείται παραδοσιακά το σημείο αναφοράς μεταξύ των ισοτροπικών υλικών, αναφέρει το Science Daily.
Σύμφωνα με τη μελέτη που δημοσίευσαν στο περιοδικό Materials Today, όταν οι κρύσταλλοι αρσενιδίου του βορίου παράγονται με εξαιρετική καθαρότητα, μπορούν να φτάσουν σε τιμές θερμικής αγωγιμότητας άνω των 2.100 W/mK (βατ ανά μέτρο και Κέλβιν) σε θερμοκρασία δωματίου, ξεπερνώντας πιθανότατα το ίδιο το διαμάντι.
Από smartphones μέχρι data centers
Η ανακάλυψη έρχεται να ανατρέψει θεωρητικά μοντέλα της τελευταίας δεκαετίας και ανοίγει νέους δρόμους σε τεχνολογίες όπου η διαχείριση της θερμότητας αποτελεί κρίσιμο παράγοντα: από smartphones και ηλεκτρονικά υψηλής ισχύος μέχρι data centers.
Η επιστημονική κοινότητα είχε ενδιαφερθεί για το αρσενίδιο του βορίου από το 2013, όταν οι θεωρητικές προβλέψεις έδειχναν ότι θα μπορούσε να είναι εξίσου ή και πιο αποτελεσματικό από το διαμάντι στη θερμική αγωγιμότητα. Ωστόσο, τα αναθεωρημένα μοντέλα του 2017 μείωσαν την εκτιμώμενη απόδοσή του στα 1.360 W/mK, ωθώντας πολλούς ερευνητές να εγκαταλείψουν την ιδέα.
Η ομάδα του καθηγητή Φυσικής Zhifeng Ren του Πανεπιστημίου του Χιούστον, ωστόσο, υπέθεσε ότι το πρόβλημα δεν ήταν η εγγενής ικανότητα του υλικού, αλλά οι προσμείξεις που περιείχε. Με τον εξευγενισμό του ακατέργαστου αρσενικού και την ανάπτυξη βελτιωμένων μεθόδων σύνθεσης, η ομάδα κατάφερε να δημιουργήσει κρυστάλλους με σημαντικά λιγότερες ατέλειες. Όταν δοκιμάστηκαν, αυτά τα δείγματα υψηλής καθαρότητας έδειξαν την εκπληκτική θερμική αγωγιμότητα πάνω από 2.100 W/mK, ξεπερνώντας ακόμα και το θεωρητικό «ταβάνι».
Γιατί ξεπερνά το διαμάντι και το πυρίτιο
Οι επιπτώσεις αυτής της ανακάλυψης είναι τεράστιες για τη βιομηχανία ηλεκτρονικών. Τα βασικά πλεονεκτήματα του αρσενιδίου του βορίου, σε σύγκριση με το διαμάντι και το πυρίτιο, περιλαμβάνουν:
- Ευκολότερη και οικονομικότερη παραγωγή από το διαμάντι, χωρίς την ανάγκη για ακραίες θερμοκρασίες ή πιέσεις.
- Εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα σε συνδυασμό με αποτελεσματική συμπεριφορά ημιαγωγού.
- Πιθανώς ανώτερη ηλεκτρονική απόδοση σε σύγκριση με το πυρίτιο λόγω της υψηλής κινητικότητας φορέων, του μεγάλου ενεργειακού χάσματος και του καλά προσαρμοσμένου συντελεστή θερμικής διαστολής.
«Αυτό το νέο υλικό είναι υπέροχο», σημείωσε ο Ren. «Έχει τις καλύτερες ιδιότητες ενός καλού ημιαγωγού και ενός καλού θερμικού αγωγού – όλες τις καλές ιδιότητες σε ένα μόνο υλικό. Αυτό δεν έχει συμβεί ποτέ σε άλλα υλικά ημιαγωγών».