Il Boron Arsenide Ha Superato il Diamante nel Trasferimento di Calore

An international team of scientists led by University of Houston engineers just proved a long-held thermal conductivity theory incorrect. Their work pushed the boundaries of material science further and could inspire several corresponding breakthroughs in the coming months. As such, it’s seen as a major milestone in the scientific community. Here’s what you need to know.

Perché la Conduttività Termica è Importante nell’Eletttronica Moderna

Per comprendere l’importanza di questa scoperta, è fondamentale capire il ruolo cruciale che il rivestimento di barriera termica svolge nella tecnologia odierna. questi rivestimenti, solitamente applicati a componenti metallici, aiutano a ridurre l’esposizione al calore dei componenti vitali.

La barriera di conduttività termica che creano contribuisce a rendere i motori di oggi più durevoli, i computer più veloci, ed è una parte importante di molti settori industriali. Perciò la ricerca per migliorare queste superfici è costante. Sebbene ci siano stati molti progressi nei materiali sintetici, nessuno può mai competere con la natura.

Diamanti

Per molti decenni, i diamanti sono stati considerati il miglior materiale isotropico per la conduzione del calore. I materiali isotropici sono unici perché offrono una distribuzione uniforme del calore in tutte le direzioni cristallografiche. In particolare, eccellono nel trasferimento di calore per diversi motivi chiave, inclusi i loro stretti legami covalenti carbonio‑carbonio.

Limiti del Diamante come Conduttore Termico

Alcuni problemi sorgono nell’uso di rivestimenti termici in diamante, dando ai ricercatori motivo di continuare la ricerca di altri materiali. Innanzitutto, sono più costosi rispetto ad altri materiali isotropici. Inoltre, possono essere difficili da lavorare.

Nonostante questi limiti, i diamanti sono ancora usati quando la dissipazione rapida del calore è fondamentale. Tuttavia, un numero crescente di ingegneri crede ora che sia possibile superare le prestazioni del diamante usando materiali sintetizzati. Un materiale che ha attirato sempre più attenzione è il Boron Arsenide.

Boron Arsenide (BAs)

Il Boron Arsenide (BAs) è emerso per la prima volta nel 1959 dopo che gli scienziati hanno sintetizzato con successo boro e arsenico. Questa prima sperimentazione è rimasta inattiva per molti decenni fino agli anni 2000. Fu allora che i progressi nella modellazione al computer e nella scienza dei materiali resero possibile vedere come il BAs potesse fungere da potenziale conduttore di calore.

Non fu fino al 2013, quando David Broido, fisico del Boston College, fece una netta previsione descrivendo uno scenario in cui il BAs superava la conduttività termica del diamante. Usò calcoli per dimostrare che il materiale era capace di raggiungere una conduttività termica di 2200 W/m·K a temperatura ambiente usando un approccio di scattering a tre fononi.

Nel 2015, il professor Zhifeng Ren dell’Università di Houston portò il concetto più avanti, facendo crescere cristalli di BAs nel suo laboratorio e testandoli. Condusse diversi esperimenti in cui ottenne una conduttività termica di cristallo singolo di 1500 W/m·K a temperatura ambiente.

Questa valutazione posizionò il BAs al secondo posto, vicino ai diamanti, in termini di conduttività termica. Ha anche ispirato ulteriori ricerche sul materiale e sui modi per raggiungere la conduttività termica ottimale di 2200 W/m·K a temperatura ambiente, prevista da Broido anni prima.

Sfide nel Raggiungere BAs ad Alta Purezza

Sono stati condotti lavori sul BAs come conduttore termico da allora. Tuttavia, modifiche nelle strategie di scattering dei fononi e altri problemi hanno portato gli ingegneri a vedere i risultati ridotti a circa 1.300 W/mK. Fortunatamente, uno studio recente ha mostrato cosa ha causato queste limitazioni e come ridurle.

Studio sul Boron Arsenide

Lo studio Thermal conductivity of boron arsenide above 2100 W per meter per Kelvin at room temperature¹ pubblicato sulla rivista scientifica Materials Today, rivela come gli ingegneri siano riusciti a ottenere una conduttività termica senza precedenti di 2100 W/m·K in cristalli singoli di boron arsenide a temperatura ambiente.

Qual era il Problema?

Come hanno osservato gli ingegneri, i calcoli erano corretti, ma gli esperimenti non soddisfacevano le aspettative. Fu allora che decisero di rivalutare i componenti fondamentali e la strategia per vedere dove potevano essere apportati miglioramenti. Un’area chiave in cui notarono una perdita di conduttività erano le impurità.

Fonte – Materials Today