Boron Arsenide acaba de superar al diamante en la transferencia de calor

Un equipo internacional de científicos liderado por ingenieros de la Universidad de Houston acaba de demostrar que una teoría de conductividad térmica mantenida durante mucho tiempo es incorrecta. Su trabajo ha llevado los límites de la ciencia de materiales más allá y podría inspirar varios avances correspondientes en los próximos meses. Como tal, se considera un hito importante en la comunidad científica. Aquí está lo que necesitas saber.

Por qué la conductividad térmica es importante en la electrónica moderna

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

La barrera de conductividad térmica que crean ayuda a que los motores de hoy sean más duraderos, las computadoras más rápidas, y es una parte importante de muchos sectores industriales. Como tal, hay una investigación constante para mejorar estas superficies. Aunque ha habido muchos avances en materiales sintéticos, ninguno ha podido competir con la naturaleza.

Diamantes

Durante muchas décadas, los diamantes han sido considerados el mejor material isotrópico para la conducción de calor. Los materiales isotrópicos son únicos porque ofrecen una distribución uniforme del calor en todas las direcciones cristalográficas. En particular, sobresalen en la transferencia de calor por varias razones clave, incluyendo sus fuertes enlaces covalentes carbono‑carbono.

Limitaciones del diamante como conductor térmico

Algunos problemas acompañan el uso de recubrimientos térmicos de diamante que continúan dando a los investigadores razones para seguir buscando otros materiales. Por un lado, son más caros que otros materiales isotrópicos. Además, pueden ser difíciles de trabajar.

A pesar de estas limitaciones, los diamantes siguen utilizándose cuando la disipación rápida de calor es crítica para la misión. Sin embargo, un número creciente de ingenieros ahora cree que es posible superar el rendimiento del diamante usando materiales sintetizados. Un material que ha recibido creciente atención es el Boron Arsenide.

Boron Arsenide (BAs)

Boron Arsenide (BAs) surgió por primera vez en 1959 después de que los científicos sintetizaran con éxito boro y arsénico. Esta experimentación temprana permaneció inactiva durante muchas décadas hasta los años 2000. Fue entonces cuando los avances en modelado computacional y ciencia de materiales hicieron posible ver cómo BAs podría servir como un potencial conductor de calor.

No fue hasta 2013, cuando el físico David Broido, de Boston College, hizo una predicción contundente en la que describía un escenario en el que BAs superaba la conductividad térmica del diamante. Utilizó cálculos para demostrar que el material era capaz de alcanzar una conductividad térmica de 2200 W/m·K a temperatura ambiente usando un enfoque de dispersión de tres fonones.

En 2015, el profesor Zhifeng Ren de la Universidad de Houston llevó el concepto más lejos cuando él y su equipo cultivaron cristales de BAs en su laboratorio y los probaron. Realizó varios experimentos donde logró una conductividad térmica de cristal único de 1500 W/m·K a temperatura ambiente.

Esta calificación colocó a BAs en un estrecho segundo lugar detrás de los diamantes en términos de conductividad térmica. También inspiró más investigaciones sobre el material y formas de lograr la conductividad térmica óptima de 2200 W/m·K a temperatura ambiente predicha por Broido años antes.

Desafíos para lograr BAs de alta pureza

Se ha trabajado con BAs como conductor térmico desde entonces. Sin embargo, cambios en las estrategias de dispersión de fonones y otros problemas llevaron a los ingenieros a ver sus resultados reducidos a alrededor de 1 300 W/mK. Afortunadamente, un estudio reciente ha mostrado qué causó estas limitaciones y cómo reducirlas.

Estudio de Boron Arsenide

El estudio Thermal conductivity of boron arsenide above 2100 W per meter per Kelvin at room temperature¹ publicado en la revista científica Materials Today, revela cómo los ingenieros pudieron obtener una conductividad térmica sin precedentes de 2100 W/m·K en cristales únicos de boron arsenide a temperatura ambiente.

¿Cuál era el problema?

Como señalaron los ingenieros, los cálculos eran correctos, pero los experimentos no cumplían las expectativas. Fue entonces cuando decidieron reevaluar los componentes centrales y la estrategia para ver dónde se podían hacer mejoras. Un área clave donde notaron una pérdida de conductividad fueron las impurezas.

Fuente – Materials Today

Cabe destacar que, en materiales isotrópicos, las capacidades de transferencia de calor siguen las vías cristalográficas del material. En un entorno óptimo, estas vías permiten un viaje fluido. Sin embargo, los ingenieros notaron que en experimentos anteriores, los cristales utilizados presentaban varias imperfecciones que realmente obstaculizaban el rendimiento.  Por ello, se propusieron cultivar el BAs más puro posible.

Cómo cultivar BAs sin impurezas

Para lograr esta tarea, comenzaron a replantear el proceso desde cero. Empezaron con arsénico ultrapuro. A partir de ahí, se siguió un proceso de síntesis de cuatro pasos, que redujo aún más las impurezas.

El siguiente paso fue limpiar completamente un tubo de cuarzo. Notablemente, los ingenieros usaron procesos estándar de limpieza de semiconductores que involucraban múltiples limpiezas ultrasónicas usando varios materiales, incluidos acetona, etanol y agua desionizada. Luego, se secó en un horno, eliminando cualquier humedad residual.

A partir de ahí, los ingenieros usaron luces de transmisión para verificar la conductividad térmica y detectar impurezas. Notaron de inmediato que tenían una concentración de defectos puntuales sustancialmente menor en los cristales individuales comparado con intentos anteriores.

Cómo los investigadores midieron la conductividad térmica de BAs

Los científicos probaron la conductividad térmica de los cristales utilizando varios métodos muy precisos. El equipo primero usó el método de termoreflectancia en dominio del tiempo (TDTR) para registrar la conductividad térmica. En esta prueba, los ingenieros recubrieron los cristales con una capa transductora de Al de 100 nm usando evaporación por haz de electrones para asegurar la precisión.

A partir de ahí, el grupo utilizó espectroscopía Raman para descubrir cualquier impureza restante en los cristales. Luego combinaron los datos para obtener una visión precisa de las capacidades y limitaciones del material. Lo que encontraron cambiará la dinámica térmica en el futuro.

Resultados de conductividad térmica récord

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La prueba del equipo demostró que BAs era capaz de alcanzar una conductividad térmica a nivel del diamante. Específicamente, los científicos registraron 2 100 W/mK a temperatura ambiente. Notablemente, los espectros Raman permitieron a los ingenieros observar una dependencia T⁻¹·⁸, abriendo la puerta a más investigaciones y mejoras de rendimiento.

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

Beneficios del Boron Arsenide

Este trabajo aporta muchos beneficios al mercado. Por un lado, abre la puerta a que los dispositivos de alta tecnología del mañana sean mucho más accesibles y asequibles. Los diamantes son caros y raros, mientras que el BAs puede producirse bajo demanda. Además, es más fácil de fabricar e integrar.

Boron Arsenide como material semiconductor

Un descubrimiento inesperado fue que el BAs actúa como un semiconductor superior. Las pruebas revelaron que el BAs que crearon superó al silicio en varias categorías clave. Específicamente, ofrece mejor conductividad, mayor movilidad de portadores, expansión térmica más favorable y puede soportar una banda prohibida más amplia.

Inspira una nueva era en la ciencia de materiales térmicos

Este trabajo demuestra por qué los científicos deben seguir empujando los límites para sobresalir 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 espacio a nuevos avances que antes se consideraban imposibles.

Aplicaciones reales del Boron Arsenide y cronología

Existen muchas aplicaciones para este trabajo. Por un lado, el estudio cambiará la forma en que los fabricantes piensan sobre la gestión térmica. Si este material puede sintetizarse de forma constante con menor costo y mayor disponibilidad que las alternativas de diamante, abrirá la puerta a materiales y electrónica de gestión de calor de próxima generación. Aquí hay algunas aplicaciones potenciales.

Electrónica de alta potencia

Imagina tener tu portátil en el regazo todo el día sin ninguna disipación de calor. La integración de estas barreras térmicas altamente conductoras podría ayudar a impulsar una nueva era en la electrónica de alta tecnología y portátil. Los dispositivos podrían volverse más rápidos y potentes sin necesitar sistemas de refrigeración adicionales.

Vehículos eléctricos (EV) y electrónica de potencia

El mercado de EV podría ver mejoras significativas en el rendimiento gracias a la integración del BAs como conductor térmico. Estos materiales podrían permitir a los fabricantes hacer sus vehículos más ligeros y seguros. Como resultado, podrían obtener indirectamente más autonomía con una sola carga. Además, esta estrategia podría reducir los costos de los EV en el futuro.

Centros de datos

Los centros de datos serán de los primeros en ver los beneficios de esta tecnología. Estos ecosistemas masivos están en alta demanda gracias al mercado de IA que está alcanzando expansiones récord. Por ello, esta tecnología tendrá un impacto directo en el sector de IA en términos de sus capacidades, rendimiento y costos operativos en el futuro.

Cronología del Boron Arsenide

Los civiles podrían ver este tipo de recubrimiento térmico usado en sus electrónicos dentro de los próximos 7‑10 años. Sin embargo, los usos militares y otras aplicaciones de alta tecnología especializadas podrían acceder a estos materiales en los próximos 5 años o menos. El hecho de que cueste mucho menos fabricarlo y sea más accesible debería ayudar a reducir significativamente los tiempos de integración.

Investigadores del Boron Arsenide

El estudio Thermal conductivity of boron arsenide above 2100 W per meter per Kelvin at room temperature fue un esfuerzo colaborativo que combinó investigaciones de varias instituciones prestigiosas, incluyendo la Universidad de California, Santa Bárbara,  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 colaboradores del trabajo.

Direcciones futuras de investigación para materiales BAs

Dado los años de trabajo que tomó lograr este hito monumental, se espera que el equipo continúe su camino para mejorar la conductividad térmica del BAs. En el futuro, también investigarán el uso de otros materiales que puedan proporcionar resultados comparables o mejores.

Inversión en la fabricación de grafito

Existen muchas empresas que producen recubrimientos conductores de calor. Estas compañías son cruciales para los sectores de alta tecnología, transporte e industrial de hoy. Aquí hay una empresa que ha sido fundamental en el mercado debido a sus esfuerzos pioneros y productos.

Graphjet Technology

Graphjet Technology(GTI )se lanzó en 2019. Este fabricante malasio de grafito proporciona material de ánodo y otros materiales cruciales para el mercado actual de EV, electrónica y sistemas de comunicación.

La compañía ha sido pionera en el mercado por varias razones y tiene asociaciones estratégicas con MIT, la Universidad de Manchester y muchos otros que buscan expandir su enfoque sostenible único.

Graphjet Technology se diferencia de sus competidores en muchos aspectos. Por un lado, la compañía se centra en la sostenibilidad. Es el primer fabricante del mundo en crear un proceso a escala industrial que convierte residuos agrícolas en forma de cáscaras recicladas de núcleos de palma en grafito de calidad para baterías.

La instalación malasia de la compañía entrega grafito artificial de alta pureza, grafeno de una sola capa y otros materiales esenciales. Impresionantemente, la instalación puede convertir  9 000 toneladas métricas de residuos en 3 000 toneladas métricas de grafito anualmente. Además, solo emite  2,95 kg CO₂ por kg de grafito, lo que la hace un 83 % más limpia que las alternativas.

Todos estos factores continúan atrayendo la atención de los inversores hacia Graphjet Technologies. Aquellos que buscan una acción de fabricación innovadora y sostenible deberían investigar más sobre las acciones de Graphjet.