Se o seu laptop ou telefone celular começar a esquentar depois de jogar videogames por horas ou executar muitos aplicativos ao mesmo tempo, esses dispositivos estão realmente fazendo seu trabalho.

Transferir o calor do circuito nas vísceras de um computador para o ambiente externo é fundamental:chips de computador superaquecidos podem fazer os programas rodarem mais devagar ou congelarem, desligue o dispositivo completamente ou cause danos permanentes.

À medida que os consumidores exigem menos, dispositivos eletrônicos mais rápidos e poderosos que puxam mais corrente e geram mais calor, a questão do gerenciamento de calor está chegando a um gargalo. Com a tecnologia atual, há um limite para a quantidade de calor que pode ser dissipada de dentro para fora.

Pesquisadores da Universidade do Texas em Dallas e seus colaboradores da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign e da Universidade de Houston criaram uma solução potencial, descrito em um estudo publicado online em 5 de julho na revista Ciência .

Bing Lv (pronuncia-se "amor"), professor assistente de física na Escola de Ciências Naturais e Matemática da UT Dallas, e seus colegas produziram cristais de um material semicondutor chamado arseneto de boro, que tem uma condutividade térmica extremamente alta, uma propriedade que descreve a capacidade de um material para transportar calor.

"O gerenciamento de calor é muito importante para as indústrias que dependem de chips e transistores de computador, "disse Lv, um autor correspondente do estudo. "Para alta potência, pequenos eletrônicos, não podemos usar metal para dissipar o calor porque o metal pode causar um curto-circuito. Não podemos aplicar ventiladores de resfriamento porque eles ocupam espaço. O que precisamos é de um semicondutor barato que também dispersa muito calor. "

A maioria dos chips de computador de hoje é feita do elemento silício, um material semicondutor cristalino que faz um trabalho adequado de dissipação de calor. Mas o silício, em combinação com outra tecnologia de resfriamento incorporada aos dispositivos, pode lidar apenas com tanto.

O diamante tem a maior condutividade térmica conhecida, por volta de 2, 200 watts por metro-kelvin, em comparação com cerca de 150 watts por metro-kelvin para o silício. Embora o diamante tenha sido incorporado ocasionalmente em aplicações exigentes de dissipação de calor, o custo dos diamantes naturais e defeitos estruturais em filmes de diamante artificiais tornam o material impraticável para uso generalizado em eletrônica, Lv disse.

Em 2013, pesquisadores do Boston College e do Naval Research Laboratory publicaram pesquisas que previam que o arseneto de boro poderia ter um desempenho tão bom quanto o diamante como dissipador de calor. Em 2015, Lv e seus colegas da Universidade de Houston produziram com sucesso esses cristais de arseneto de boro, mas o material tinha uma condutividade térmica bastante baixa, cerca de 200 watts por metro-kelvin.

Desde então, O trabalho de Lv na UT Dallas se concentrou na otimização do processo de cultivo de cristais para impulsionar o desempenho do material.

"Temos trabalhado nessa pesquisa nos últimos três anos, e agora obtivemos a condutividade térmica até cerca de 1, 000 watts por metro-kelvin, que perde apenas para o diamante em materiais a granel, "Lv disse.

Lv trabalhou com o associado de pesquisa de pós-doutorado Sheng Li, co-autor do estudo, e estudante de doutorado em física Xiaoyuan Liu, também um autor de estudo, para criar os cristais de alta condutividade térmica na UT Dallas usando uma técnica chamada transporte químico de vapor. As matérias-primas - os elementos boro e arsênico - são colocadas em uma câmara quente de um lado e fria do outro. Dentro da câmara, outro produto químico transporta o boro e o arsênico da extremidade quente para a extremidade mais fria, onde os elementos se combinam para formar cristais.

"Para saltar de nossos resultados anteriores de 200 watts por metro-kelvin para 1, 000 watts por metro-kelvin, precisávamos ajustar muitos parâmetros, incluindo as matérias-primas com as quais começamos, a temperatura e pressão da câmara, até mesmo o tipo de tubo que usamos e como limpamos o equipamento, "Lv disse.

Os grupos de pesquisa de David Cahill e Pinshane Huang na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign desempenharam um papel fundamental no trabalho atual, estudar defeitos nos cristais de arseneto de boro por microscopia eletrônica de última geração e medir a condutividade térmica dos cristais muito pequenos produzidos na UT Dallas.

"Medimos a condutividade térmica usando um método desenvolvido em Illinois ao longo dos últimos doze anos, denominado 'termorreflexão no domínio do tempo' ou TDTR, "disse Cahill, professor e chefe do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais e autor correspondente do estudo. "O TDTR nos permite medir a condutividade térmica de quase qualquer material em uma ampla gama de condições e foi essencial para o sucesso deste trabalho."

A forma como o calor é dissipado no arsenieto de boro e outros cristais está ligada às vibrações do material. Conforme o cristal vibra, o movimento cria pacotes de energia chamados fônons, que podem ser considerados quasipartículas transportadoras de calor. Lv disse que as características únicas dos cristais de arseneto de boro - incluindo a diferença de massa entre os átomos de boro e arsênio - contribuem para a capacidade dos fônons de viajarem com mais eficiência para longe dos cristais.

"Acho que o arsenieto de boro tem um grande potencial para o futuro da eletrônica, "Lv disse." Suas propriedades semicondutoras são muito comparáveis ​​ao silício, razão pela qual seria ideal incorporar arsenieto de boro em dispositivos semicondutores. "

Lv disse que embora o elemento arsênico por si só possa ser tóxico para os humanos, uma vez que é incorporado a um composto como o arsenieto de boro, o material se torna muito estável e não tóxico.

A próxima etapa do trabalho incluirá tentar outros processos para melhorar o crescimento e as propriedades deste material para aplicações em grande escala, Lv disse.