Uma equipe internacional de físicos, cientistas de materiais, e engenheiros mecânicos confirmaram a alta condutividade térmica prevista em nitreto de boro cúbico enriquecido isotopicamente, os pesquisadores relatam na edição eletrônica antecipada da revista Ciência .

A condutividade térmica de um material indica quanto calor pode passar por ele quando suas extremidades estão em temperaturas diferentes. Materiais com condutividade térmica muito alta têm importantes aplicações tecnológicas, como o resfriamento de microeletrônica. Mas muito poucos deles foram descobertos.

Teóricos previram que nitreto de boro cúbico isotopicamente puro (c-BN), deve ter condutividade térmica extremamente alta - perdendo apenas para os cristais feitos de carbono, como diamante.

"Queríamos determinar se c-BN de alta qualidade pode de fato ser feito para observar as grandes magnitudes de condutividade térmica em c-BN, e se o enorme aumento na condutividade térmica com purificação isotópica prevista a partir de cálculos teóricos é medido no material real, "disse o professor de física do Boston College David Broido, um co-autor do relatório.

O c-BN é particularmente desafiador de fazer. Também, é difícil medir a condutividade térmica com precisão quando o valor é alto. A equipe superou esses desafios, e os valores de condutividade térmica medidos para as amostras de c-BN foram bastante próximos aos que eles haviam calculado.

"O estudo confirma c-BN como um de apenas um punhado de materiais de condutividade térmica ultra-alta, e mostra que tem o maior aumento em sua condutividade térmica sobre o enriquecimento isotópico já observado, "Broido disse.

A equipe também estudou os compostos relacionados, fosfeto de boro (BP) e arsenieto de boro (BAs). A maioria dos elementos da natureza tem misturas de isótopos, Broido explicou. Por exemplo, o boro que ocorre naturalmente tem dois isótopos, aproximadamente 20 por cento de boro-10 e 80 por cento de boro-11. Esses diferentes isótopos em todo o material produzem desordem que aumenta a resistência térmica. Ao fazer o material com apenas um isótopo (apenas B-10 ou apenas B-11) por meio de enriquecimento isotópico, esta resistência é reduzida de modo que a condutividade térmica aumenta, ele disse.

Por uma notável coincidência da natureza, os elementos nitrogênio, fósforo e arsênico, que se liga naturalmente ao boro para formar c-BN, BP e BAs, tem apenas um único isótopo. Então, para esses compostos, o distúrbio isotópico está apenas nos átomos de boro e, portanto, é o mesmo em todos os três compostos feitos com boro de ocorrência natural, Broido disse. Ainda, o enriquecimento isotópico dos átomos de boro deu uma duplicação da condutividade térmica para c-BN, mas aumentos muito menores para BP e BAs.

Os átomos de boro e nitrogênio têm aproximadamente a mesma massa, enquanto o arsênico e o fósforo são mais pesados.

"Nós mostramos que as massas maiores de arsênio e fósforo em comparação com o boro causaram a desordem isotópica em BAs e BP para dar apenas uma pequena resistência ao fluxo de calor, "disse Broido, que realizou cálculos teóricos com o colega de pós-doutorado do Boston College, Navaneetha K. Ravichandran. "É como se o distúrbio isotópico se tornasse invisível para o calor que flui através das amostras BAs e BP."

Em contraste, remover a mesma quantidade de distúrbio por meio do enriquecimento isotópico em c-BN resulta em um grande aumento na condutividade térmica.

Em tudo, 24 pesquisadores contribuíram com o projeto. Além do Boston College, a equipe incluiu os grupos de pesquisa de Gang Chen no MIT, David Cahill, da Universidade de Illinois, Urbana-Champaign, Li Shi, da Universidade do Texas em Austin, Bing Lv na Universidade do Texas em Dallas, Zhifeng Ren da Universidade de Houston, e Takashi Taniguchi, do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão.

"Foi incrível ver os dados medidos e os cálculos teóricos concordando de forma consistente entre si. A teoria não contém parâmetros que possam ser ajustados para se adequar às medições. Ela concorda ou não com as medições. "disse Broido." O excelente acordo destaca a exatidão da teoria, a precisão das medições, e a alta pureza das amostras. "

Broido disse que mais investigações são necessárias para entender melhor os tipos de defeitos que ocorrem no c-BN que atuam para reduzir sua condutividade de calor. Como esses materiais de condutividade térmica ultra-alta são tão raros, ele espera que pesquisas teóricas e computacionais possam identificar novos candidatos e desvendar os mistérios que cercam suas propriedades usuais.