El arseniuro de boro acaba de superar al diamante en transferencia de calor.

Un equipo internacional de científicos, liderado por ingenieros de la Universidad de Houston, acaba de demostrar que una teoría sobre la conductividad térmica, ampliamente aceptada, era incorrecta. Su trabajo ha ampliado las fronteras de la ciencia de los materiales y podría inspirar varios avances similares en los próximos meses. Por ello, se considera un hito importante para la comunidad científica. Esto es lo que debes saber.

Por qué la conductividad térmica es importante en la electrónica moderna

Para comprender la importancia de este avance, es fundamental entender el papel crucial que desempeñan los recubrimientos de barrera térmica en la tecnología actual. Estos recubrimientos, que suelen aplicarse a componentes metálicos, ayudan a reducir la exposición al calor de los componentes vitales.

La barrera de conductividad térmica que crean contribuye a que los motores actuales sean más duraderos, las computadoras más rápidas y es fundamental en muchos sectores industriales. Por ello, se investiga constantemente para mejorar estas superficies. Si bien se han producido muchos avances en materiales sintéticos, ninguno podrá competir jamás con la naturaleza.

Diamantes

Durante décadas, los diamantes se han considerado el mejor material isotrópico para la conducción del calor. Los materiales isotrópicos son únicos porque ofrecen una distribución uniforme del calor en todas las direcciones cristalográficas. En particular, destacan en la transferencia de calor por varias razones clave, entre ellas sus fuertes enlaces covalentes carbono-carbono.

Limitaciones del diamante como conductor térmico

El uso de recubrimientos térmicos de diamante presenta algunos problemas que siguen motivando a los investigadores a continuar la búsqueda de otros materiales. Por un lado, son más caros que otros materiales isotrópicos. Además, pueden ser difíciles de manipular.

A pesar de estas limitaciones, los diamantes aún se utilizan cuando la disipación rápida del calor es fundamental. Sin embargo, cada vez más ingenieros creen que es posible superar el rendimiento del diamante utilizando materiales sintéticos. Un material que ha recibido cada vez más atención es el arseniuro de boro.

Arseniuro de boro (BAs)

El arseniuro de boro (BAs) surgió en 1959 tras la síntesis exitosa de boro y arsénico por parte de los científicos. Estos primeros experimentos permanecieron inactivos durante décadas, hasta el año 2000. Fue entonces cuando los avances en modelado computacional y ciencia de los materiales permitieron vislumbrar el potencial del BAs como conductor térmico.

No fue hasta 2013 cuando David Broido, físico del Boston College, realizó una predicción sorprendente en la que describió un escenario en el que los arsénicos de boro superaban la conductividad térmica del diamante. Mediante cálculos, demostró que el material era capaz de alcanzar una conductividad térmica de 2200 W/m·K a temperatura ambiente utilizando un método de dispersión de tres fonones.

En 2015, el profesor Zhifeng Ren de la Universidad de Houston llevó el concepto un paso más allá cuando, junto con su equipo, cultivó cristales de BAs en su laboratorio y los analizó. Realizó varios experimentos en los que logró una conductividad térmica de 1500 W/m·K en un solo cristal a temperatura ambiente.

Esta clasificación situó a los borosilicatos en un cercano segundo lugar, solo por detrás de los diamantes, en cuanto a conductividad térmica. Además, impulsó nuevas investigaciones sobre el material y sobre cómo alcanzar la conductividad térmica óptima de 2200 W/m·K a temperatura ambiente, tal como la había predicho Broido años antes.

Desafíos para lograr BA de alta pureza

Desde entonces se ha trabajado en el uso de BA como conductor térmico. Sin embargo, cambios en las estrategias de dispersión de fonones y otros problemas llevaron a los ingenieros a ver reducidos sus resultados a unos 1,300 W/mK. Afortunadamente, un estudio reciente ha mostrado las causas de estas limitaciones y cómo reducirlas.

Estudio del arseniuro de boro

El Conductividad térmica del arseniuro de boro superior a 2100 W por metro por Kelvin a temperatura ambiente¹ Un estudio publicado en la revista científica Materials Today revela cómo los ingenieros pudieron obtener una conductividad térmica sin precedentes de 2100 W/m·K en monocristales de arseniuro de boro a temperatura ambiente.

¿Cual fue el problema?

Como observaron los ingenieros, los cálculos matemáticos eran correctos, pero los experimentos no cumplían con las expectativas. Fue entonces cuando decidieron reevaluar los componentes principales y la estrategia para identificar áreas de mejora. Un aspecto clave donde detectaron una pérdida de conductividad fueron las impurezas.

Fuente: Materiales de hoy

Cabe destacar que, en los materiales isotrópicos, la transferencia de calor sigue las rutas cristalográficas del material. En condiciones óptimas, estas rutas permiten una transferencia de calor fluida. Sin embargo, los ingenieros observaron que, en experimentos anteriores, los cristales utilizados presentaban diversas imperfecciones que, de hecho, dificultaban su rendimiento. Por ello, se propusieron cultivar el BA más puro posible.

Cómo cultivar BA sin impurezas

Para lograrlo, comenzaron por replantear el proceso desde cero. Empezaron con arsénico ultrapuro. A partir de ahí, me sometieron a una síntesis de cuatro pasos que redujo aún más las impurezas.

El siguiente paso consistió en limpiar a fondo un tubo de cuarzo. Cabe destacar que los ingenieros emplearon procesos de limpieza estándar para semiconductores, que incluyen múltiples limpiezas ultrasónicas con diversos materiales, como acetona, etanol y agua desionizada. Posteriormente, se secó en un horno para eliminar cualquier resto de humedad.

A partir de ahí, los ingenieros utilizaron luces de transmisión para comprobar la conductividad térmica y detectar impurezas. Inmediatamente observaron que la concentración de defectos puntuales en los cristales individuales era considerablemente menor que en intentos anteriores.

Cómo midieron los investigadores la conductividad térmica de BA

Los científicos analizaron la conductividad térmica de los cristales mediante varios métodos de alta precisión. En primer lugar, el equipo utilizó el método de termorreflectancia en el dominio del tiempo (TDTR) para medir la conductividad térmica. Para garantizar la precisión, en esta prueba, los ingenieros recubrieron los cristales con una capa transductora de aluminio de 100 nm mediante evaporación por haz de electrones.

A partir de ahí, el grupo utilizó espectroscopia Raman para detectar cualquier impureza restante en los cristales. Posteriormente, combinaron los datos para obtener una visión general precisa de las capacidades y limitaciones de los materiales. Sus hallazgos cambiarían la dinámica térmica en el futuro.

Resultados de conductividad térmica sin precedentes

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Las pruebas del equipo demostraron que los aleaciones de boro (BA) eran capaces de alcanzar una conductividad térmica comparable a la del diamante. En concreto, los científicos registraron 2,100 W/mK a temperatura ambiente. Cabe destacar que los espectros Raman permitieron a los ingenieros observar una dependencia de T⁻¹,⁸, lo que abre la puerta a futuras investigaciones y mejoras en el rendimiento.

Los ingenieros observaron que un cálculo teórico modificado les permitiría ajustar el proceso para utilizar una dispersión de tres fonones en el rango de 4 a 8 THz, en lugar de la dispersión de cuatro fonones que se usa comúnmente en la actualidad. Mediante este enfoque, el equipo logró registrar la dependencia de la temperatura entre 300 y 400 K.

Beneficios del arseniuro de boro

Este trabajo aporta numerosas ventajas al mercado. En primer lugar, abre la puerta a que los dispositivos de alta tecnología del futuro sean mucho más accesibles y asequibles. Los diamantes son caros y escasos, mientras que los BA se pueden fabricar bajo demanda. Además, son más fáciles de producir e integrar.

Arseniuro de boro como material semiconductor

Un descubrimiento inesperado fue que los aleaciones de boro (BA) actúan como semiconductores superiores. Las pruebas revelaron que las BA creadas superaron al silicio en varias categorías clave. Específicamente, ofrecen mejor conductividad, movilidad de portadores, expansión térmica y pueden soportar una banda prohibida más amplia.

Inspirar una nueva era en la ciencia de los materiales térmicos

Este trabajo demuestra por qué los científicos deben superar constantemente los límites del conocimiento para alcanzar la excelencia en sus resultados. Durante décadas, los diamantes fueron los reyes indiscutibles de la conductividad térmica. Ahora, toda la comunidad científica debe reevaluar sus teorías, lo que abre la puerta a nuevos avances que antes se consideraban imposibles.

Aplicaciones reales y cronología del arseniuro de boro

Este trabajo tiene numerosas aplicaciones. Por un lado, el estudio cambiará la forma en que los fabricantes abordan la gestión térmica. Si este material se puede sintetizar de forma consistente, con un menor coste y mayor disponibilidad que las alternativas de diamante, se abrirá la puerta a materiales y componentes electrónicos de gestión térmica de última generación. A continuación, se presentan algunas aplicaciones potenciales.

Electrónica de alta potencia

Imagina tener tu portátil sobre las piernas todo el día sin disipación de calor. La integración de estas barreras térmicas de alta conductividad podría impulsar una nueva era en la electrónica portátil y de alta tecnología. Los dispositivos podrían ser más rápidos y potentes sin necesidad de sistemas de refrigeración adicionales.

Vehículos eléctricos (VE) y electrónica de potencia

El mercado de vehículos eléctricos podría experimentar mejoras significativas en su rendimiento gracias a la integración de aleaciones de boro como conductores térmicos. Estos materiales podrían permitir a los fabricantes producir vehículos más ligeros y seguros, lo que indirectamente se traduciría en una mayor autonomía con una sola carga. Además, esta estrategia podría reducir los costes de los vehículos eléctricos en el futuro.

Centros de datos

Los centros de datos estarán entre los primeros en beneficiarse de esta tecnología. Estos ecosistemas masivos tienen una gran demanda gracias al crecimiento sin precedentes del mercado de la IA. Por lo tanto, esta tecnología tendrá un impacto directo en el sector de la IA en cuanto a sus capacidades, rendimiento y costes operativos en el futuro.

Cronología del arseniuro de boro

Es posible que los civiles vean este tipo de recubrimiento térmico en sus dispositivos electrónicos en los próximos 7 a 10 años. Sin embargo, los sectores militar y otras aplicaciones especializadas de alta tecnología podrían tener acceso a estos materiales en los próximos 5 años o menos. El hecho de que su fabricación sea mucho más económica y esté más disponible debería contribuir a reducir significativamente los tiempos de integración.

Investigadores del arseniuro de boro

El Conductividad térmica del arseniuro de boro superior a 2100 W por metro por Kelvin a temperatura ambiente El estudio fue un esfuerzo colaborativo que combinó investigaciones de varias instituciones prestigiosas, entre ellas la Universidad de California, Santa Bárbara, el Boston College y la Universidad de Houston.

Específicamente, el artículo enumera al profesor Zhifeng Ren, Bolin Liao, Ange Benise Niyikiza, Zeyu Xiang, Fanghao Zhang, Fengjiao Pan, Chunhua Li, Matthew Delmont, David Broido y Ying Peng como contribuyentes al trabajo.

Direcciones futuras de investigación para materiales BA

Dados los años de trabajo que requirió alcanzar este hito monumental, se espera que el equipo continúe su labor para mejorar la conductividad térmica del BA. En el futuro, también investigarán el uso de otros materiales que podrían ofrecer resultados comparables o mejores.

Invertir en la fabricación de grafito

Existen numerosas empresas que fabrican recubrimientos termoconductores. Estas compañías son fundamentales para los sectores de alta tecnología, transporte e industria actuales. Esta es una empresa que ha sido clave en el mercado gracias a su labor pionera y sus productos.

Tecnología de chorro de grafito

Tecnología de chorro de grafito(GTI +3.62%)Lanzada en 2019, esta empresa malaya fabricante de grafito proporciona material de ánodo y otros materiales cruciales para el mercado actual de vehículos eléctricos, electrónica y sistemas de comunicación.

La empresa ha sido pionera en el mercado por varias razones y cuenta con alianzas estratégicas con el MIT, la Universidad de Manchester y muchas otras entidades que buscan expandir su enfoque sostenible único.

Graphjet Technology se distingue de sus competidores en muchos aspectos. Para empezar, la empresa se centra en la sostenibilidad. Es el primer fabricante del mundo en crear un proceso a escala industrial que convierte residuos agrícolas, como cáscaras de palma recicladas, en grafito apto para baterías.

La planta de la compañía en Malasia produce grafito artificial de alta pureza, grafeno monocapa y otros materiales esenciales. Cabe destacar que esta planta puede convertir 9,000 toneladas métricas de residuos en 3,000 toneladas métricas de grafito al año. Además, emite tan solo 2.95 kg de CO₂ por kg de grafito, lo que la hace un 83 % más limpia que otras alternativas.

Todos estos factores siguen atrayendo el interés de los inversores hacia Graphjet Technologies. Quienes busquen una acción de fabricación innovadora y sostenible deberían investigar más a fondo las acciones de Graphjet.