Uma garrafa térmica tem a função de preservar a temperatura - mas às vezes você deseja obter o oposto:chips de computador geram calor que deve ser dissipado o mais rápido possível para que o chip não seja destruído. Isso requer materiais especiais com propriedades de condução de calor particularmente boas.

Em colaboração com grupos da China e dos Estados Unidos, uma equipe de pesquisa da TU Wien, portanto, começou a encontrar o condutor de calor ideal. Eles finalmente encontraram o que procuravam em uma forma muito específica de nitreto de tântalo - nenhum outro material metálico conhecido tem uma condutividade térmica mais alta. Para ser capaz de identificar este material recorde, eles primeiro tiveram que analisar quais processos desempenham um papel na condução de calor em tais materiais no nível atômico. Os resultados já foram publicados na revista científica Cartas de revisão física .

Elétrons e vibrações de rede

"Basicamente, existem dois mecanismos pelos quais o calor se propaga em um material, "explica o Prof. Georg Madsen do Instituto de Química de Materiais da TU Wien." Em primeiro lugar, através dos elétrons que viajam através do material, levando energia com eles. Este é o principal mecanismo em bons condutores elétricos. E em segundo lugar, através dos fônons, que são vibrações coletivas no material. "Os átomos se movem, fazendo com que outros átomos balancem. Em temperaturas mais altas, a condução de calor por meio da propagação dessas vibrações costuma ser o efeito decisivo.

Mas nem os elétrons nem as vibrações da rede podem se propagar completamente sem obstáculos através do material. Existem vários processos que retardam essa propagação de energia térmica. Elétrons e vibrações de rede podem interagir uns com os outros, eles podem se espalhar, eles podem ser interrompidos por irregularidades no material.

Em alguns casos, a condução de calor pode até ser dramaticamente limitada pelo fato de que diferentes isótopos de um elemento são construídos no material - ou seja, átomos semelhantes com diferentes números de nêutrons. Nesse caso, os átomos não têm exatamente a mesma massa, e isso afeta o comportamento vibracional coletivo dos átomos do material.

"Alguns desses efeitos podem ser suprimidos, mas geralmente não todos ao mesmo tempo, "diz Georg Madsen." É como jogar Whack-A-Mole:você resolve um problema, e ao mesmo tempo um novo surge em outro lugar. "

Nitreto de tântalo, o versátil

Apesar de nossa experiência cotidiana de queimar as mãos em uma placa de metal quente, metais normalmente têm uma condutividade térmica medíocre. O metal com a maior condutividade térmica conhecida é a prata - com apenas uma fração da condutividade do diamante que contém o registro. Mas os diamantes são caros e muito difíceis de processar.

Com elaboradas análises teóricas e simulações de computador, a equipe finalmente conseguiu identificar um material adequado:a fase θ hexagonal do nitreto de tântalo. O tântalo é particularmente favorável porque dificilmente existem isótopos diferentes. Quase 99,99% do tântalo que ocorre naturalmente é o isótopo tântalo 181, outras variantes dificilmente ocorrem.

"A combinação com nitrogênio e a geometria de escala atômica especial tornam a fase metálica, e suprime as interações das vibrações portadoras de calor com outras vibrações e com os elétrons condutores. São exatamente essas interações que inibem a condução de calor em outros materiais, "diz Georg Madsen." Essas interações não são possíveis neste material porque violariam a lei de conservação de energia. "

Portanto, esta forma de nitreto de tântalo combina várias vantagens importantes, tornando-o um material recorde com uma condutividade térmica várias vezes maior do que a prata e comparável ao diamante.

"Para a indústria de chips, nitreto de tântalo é um material altamente promissor, "Madsen está convencido." Os chips estão ficando menores e mais poderosos, portanto, a condução de calor está se tornando um problema cada vez maior. Nenhum outro material resolve este problema melhor do que o nitreto de tântalo da fase θ. "