Um material improvável, arsenieto de boro cúbico, poderia fornecer uma condutividade térmica extraordinariamente alta - a par com o padrão da indústria definido por diamantes caros - relatam os pesquisadores na edição atual da revista Cartas de revisão física .
A descoberta de que o composto químico de boro e arsênico pode rivalizar com o diamante, o condutor térmico mais conhecido, surpreendeu a equipe de físicos teóricos do Boston College e do Naval Research Laboratory. Mas uma nova abordagem teórica permitiu à equipe desvendar o segredo da capacidade potencialmente extraordinária do arsenieto de boro de conduzir o calor.
Menor, dispositivos microeletrônicos mais rápidos e poderosos representam o desafio assustador de remover o calor que geram. Bons condutores térmicos colocados em contato com tais dispositivos canalizam o calor rapidamente para longe de "pontos quentes" indesejados que diminuem a eficiência desses dispositivos e podem fazer com que falhem.
O diamante é a gema mais apreciada. Mas, além de seu brilho e beleza em joias, tem muitas outras propriedades notáveis. Junto com seus primos de carbono, grafite e grafeno, diamante é o melhor condutor térmico em torno da temperatura ambiente, tendo condutividade térmica de mais de 2, 000 watts por metro por Kelvin, que é cinco vezes maior do que os melhores metais como o cobre. Atualmente, o diamante é amplamente utilizado para ajudar a remover o calor de chips de computador e outros dispositivos eletrônicos. Infelizmente, diamante é raro e caro, e o diamante sintético de alta qualidade é difícil e caro de produzir. Isso estimulou a busca por novos materiais com condutividades térmicas ultra-altas, mas pouco progresso foi feito nos últimos anos.
A alta condutividade térmica do diamante é bem compreendida, resultante da leveza dos átomos de carbono constituintes e das ligações químicas rígidas entre eles, de acordo com o co-autor David Broido, professor de física no Boston College. Por outro lado, Não se esperava que o arsenieto de boro fosse um condutor térmico particularmente bom e, de fato, foi estimado - usando critérios de avaliação convencionais - ter uma condutividade térmica 10 vezes menor do que o diamante.
A equipe descobriu que a condutividade térmica calculada do arsenieto de boro cúbico é notavelmente alta, mais de 2.000 Watts por metro por Kelvin à temperatura ambiente e excedendo a do diamante em temperaturas mais altas, de acordo com Broido e co-autores Tom Reinecke, cientista sênior do Laboratório de Pesquisa Naval, e Lucas Lindsay, um pesquisador pós-doutorado no NRL que obteve seu doutorado no BC.
Broido disse que a equipe usou uma abordagem teórica desenvolvida recentemente para calcular as condutividades térmicas, que eles haviam testado anteriormente com muitos outros materiais bem estudados. Confiante em sua abordagem teórica, a equipe deu uma olhada mais de perto no arsenieto de boro, cuja condutividade térmica nunca foi medida.
Ao contrário dos metais, onde os elétrons carregam calor, diamante e arseneto de boro são isolantes elétricos. Para eles, o calor é transportado por ondas vibracionais dos átomos constituintes, e a colisão dessas ondas entre si cria uma resistência intrínseca ao fluxo de calor. A equipe ficou surpresa ao encontrar uma interação incomum de certas propriedades vibracionais no arseneto de boro que estão fora das diretrizes comumente usadas para estimar a condutividade térmica de isoladores elétricos. Acontece que as colisões esperadas entre as ondas vibracionais são muito menos prováveis de ocorrer em uma certa faixa de frequências. Assim, nessas frequências, grandes quantidades de calor podem ser conduzidas no arseneto de boro.
"Este trabalho oferece uma nova visão importante sobre a física do transporte de calor em materiais, e ilustra o poder das técnicas computacionais modernas em fazer previsões quantitativas para materiais cujas condutividades térmicas ainda precisam ser medidas, "disse Broido." Estamos entusiasmados para ver se nossa descoberta inesperada de arseneto de boro pode ser verificada por medição. Se então, pode abrir novas oportunidades para aplicações de resfriamento passivo usando arsenieto de boro, and it would further demonstrate the important role that such theoretical work can play in providing useful guidance to identify new high thermal conductivity materials."
