Boron Arsenida Baru Saja Melampaui Berlian dalam Perpindahan Panas

Sebuah tim ilmuwan internasional yang dipimpin oleh para insinyur dari Universitas Houston baru saja membuktikan bahwa teori konduktivitas termal yang telah lama diyakini salah. Karya mereka mendorong batas-batas ilmu material lebih jauh dan dapat menginspirasi beberapa terobosan terkait dalam beberapa bulan mendatang. Oleh karena itu, hal ini dipandang sebagai tonggak penting dalam komunitas ilmiah. Berikut yang perlu Anda ketahui.

Mengapa Konduktivitas Termal Penting dalam Elektronik Modern

Untuk memahami pentingnya terobosan ini, sangat penting untuk memahami peran krusial lapisan penghalang termal dalam teknologi saat ini. Lapisan ini, yang biasanya diaplikasikan pada komponen logam, membantu mengurangi paparan panas pada komponen vital.

Penghalang konduktivitas termal yang mereka ciptakan membantu membuat mesin saat ini lebih tahan lama, komputer lebih cepat, dan merupakan bagian penting dari banyak sektor industri. Karena itu, penelitian terus dilakukan untuk meningkatkan permukaan ini. Meskipun telah banyak kemajuan dalam material sintetis, tidak ada yang dapat menyaingi alam.

Berlian

Selama beberapa dekade, berlian telah dianggap sebagai material isotropik terbaik untuk konduksi panas. Material isotropik unik karena menawarkan distribusi panas yang seragam di semua arah kristalografi. Lebih dari itu, mereka unggul dalam transfer panas karena beberapa alasan utama, termasuk ikatan kovalen karbon-karbon yang kuat.

Keterbatasan Berlian sebagai Konduktor Termal

Beberapa masalah muncul seiring penggunaan lapisan termal berlian yang terus memberi para peneliti alasan untuk melanjutkan pencarian mereka terhadap material lain. Pertama, harganya lebih mahal daripada material isotropik lainnya. Selain itu, pengerjaannya juga bisa sulit.

Terlepas dari keterbatasan ini, berlian masih digunakan ketika pembuangan panas yang cepat sangat penting. Namun, semakin banyak insinyur yang percaya bahwa kinerja berlian dapat dilampaui dengan menggunakan material sintetis. Salah satu material yang semakin mendapat perhatian adalah Boron Arsenida.

Boron Arsenida (BAs)

Boron Arsenida (BAs) pertama kali muncul pada tahun 1959 setelah para ilmuwan berhasil mensintesis boron dan arsenik. Eksperimen awal ini terhenti selama beberapa dekade hingga tahun 2000-an. Saat itulah kemajuan dalam pemodelan komputer dan ilmu material tiba-tiba memungkinkan untuk melihat bagaimana BAs dapat berfungsi sebagai konduktor panas potensial.

Barulah pada tahun 2013, ketika David Broido, seorang fisikawan dari Boston College, membuat prediksi yang mengejutkan di mana ia menggambarkan skenario di mana BA (Body-Assisted) mengungguli konduktivitas termal berlian. Ia menggunakan perhitungan untuk menunjukkan bahwa material tersebut mampu mencapai konduktivitas termal sebesar 2200 W/m·K pada suhu ruangan menggunakan pendekatan hamburan tiga fonon.

Pada tahun 2015, Profesor Zhifeng Ren dari Universitas Houston mengembangkan konsep ini lebih lanjut ketika ia dan timnya menumbuhkan kristal BA di laboratorium mereka dan mengujinya. Ia melakukan beberapa percobaan di mana ia mencapai konduktivitas termal kristal tunggal sebesar 1500 W/m·K pada suhu ruangan.

Peringkat ini menempatkan BA di posisi kedua setelah berlian dalam hal konduktivitas termal. Hal ini juga menginspirasi penelitian lebih lanjut tentang material tersebut dan cara untuk mencapai konduktivitas termal optimal sebesar 2200 W/m·K pada suhu ruangan yang diprediksi oleh Broido beberapa tahun sebelumnya.

Tantangan dalam Mencapai BA dengan Kemurnian Tinggi

Sejak saat itu, telah dilakukan penelitian terhadap BA sebagai konduktor termal. Namun, perubahan dalam strategi hamburan fonon dan masalah lainnya menyebabkan para insinyur melihat hasil mereka menurun menjadi sekitar 1,300 W/mK. Untungnya, sebuah studi terbaru telah menunjukkan apa yang menyebabkan keterbatasan ini dan bagaimana cara menguranginya.

Studi Boron Arsenida

The Konduktivitas termal boron arsenida di atas 2100 W per meter per Kelvin pada suhu ruangan¹ Studi yang diterbitkan dalam jurnal ilmiah Materials Today, mengungkapkan bagaimana para insinyur mampu memperoleh konduktivitas termal yang belum pernah terjadi sebelumnya sebesar 2100 W/m·K pada kristal tunggal boron arsenida pada suhu ruangan.

Apa masalahnya?

Seperti yang dicatat para insinyur, perhitungannya tepat, tetapi eksperimennya tidak memenuhi harapan. Saat itulah mereka memutuskan untuk mengevaluasi kembali komponen inti dan strategi untuk melihat di mana perbaikan dapat dilakukan. Salah satu area kunci di mana mereka mencatat penurunan konduktivitas adalah pengotor.

Sumber – Materials Today

Perlu dicatat, pada material isotropik, kemampuan perpindahan panas mengikuti jalur kristalografi material tersebut. Dalam kondisi optimal, jalur-jalur ini memberikan aliran yang lancar. Namun, para insinyur mencatat bahwa dalam percobaan sebelumnya, kristal yang digunakan memiliki beberapa ketidaksempurnaan yang justru menghambat kinerja. Karena itu, mereka berupaya untuk menumbuhkan BA (Blood-Assisted) semurni mungkin.

Cara Menumbuhkan BA Tanpa Kotoran

Untuk menyelesaikan tugas ini, mereka mulai dengan merancang ulang prosesnya dari awal. Mereka mulai dengan arsenik yang sangat murni. Dari situ, saya menjalani sintesis empat langkah, yang mengurangi pengotor lebih lanjut.

Langkah selanjutnya adalah membersihkan tabung kuarsa secara menyeluruh. Perlu dicatat, para insinyur menggunakan proses pembersihan semikonduktor standar yang melibatkan beberapa pembersihan ultrasonik menggunakan beberapa bahan, termasuk aseton, etanol, dan air deionisasi. Kemudian, tabung tersebut dikeringkan dalam oven, menghilangkan sisa kelembapan.

Dari situ, para insinyur menggunakan lampu transmisi untuk memeriksa konduktivitas termal dan keberadaan pengotor. Mereka segera menyadari bahwa mereka memiliki konsentrasi cacat titik yang jauh lebih rendah pada masing-masing kristal dibandingkan dengan percobaan sebelumnya.

Bagaimana Para Peneliti Mengukur Konduktivitas Termal BA

Ilmuwan tersebut menguji konduktivitas termal kristal menggunakan beberapa metode yang sangat akurat. Tim tersebut pertama kali menggunakan metode termoreflektansi domain waktu (TDTR) untuk mencatat konduktivitas termal. Dalam pengujian ini, para insinyur melapisi kristal dengan lapisan transduser Al 100 nm menggunakan penguapan berkas elektron untuk memastikan akurasi.

Dari situ, kelompok tersebut menggunakan spektroskopi Raman untuk menemukan pengotor yang tersisa dalam kristal. Kemudian mereka menggabungkan data tersebut untuk mendapatkan gambaran akurat tentang kemampuan dan kekurangan material tersebut. Temuan mereka akan mengubah dinamika termal di masa mendatang.

Hasil Konduktivitas Termal yang Memecahkan Rekor

Geser untuk menggulir →

Pengujian tim membuktikan bahwa BA mampu mencapai konduktivitas termal setara berlian. Secara spesifik, para ilmuwan mencatat 2,100 W/mK pada suhu ruangan. Yang menarik, spektrum Raman memungkinkan para insinyur untuk mengamati ketergantungan T−1.8, membuka pintu untuk penelitian lebih lanjut dan peningkatan kinerja.

Para insinyur mencatat bahwa perhitungan teoretis yang dimodifikasi memungkinkan mereka untuk menyesuaikan proses agar menggunakan hamburan tiga-fonon untuk fonon dalam rentang 4–8 THz, alih-alih hamburan empat-fonon yang umum digunakan saat ini. Dengan menggunakan pendekatan ini, tim berhasil merekam ketergantungan suhu dari 300 hingga 400 K.

Manfaat Boron Arsenida

Karya ini membawa banyak manfaat bagi pasar. Pertama, ini membuka pintu bagi perangkat berteknologi tinggi masa depan untuk menjadi jauh lebih mudah diakses dan terjangkau. Berlian mahal dan langka, sedangkan BA dapat diproduksi sesuai permintaan. Selain itu, BA lebih mudah diproduksi dan diintegrasikan.

Boron Arsenida sebagai Material Semikonduktor

Salah satu penemuan yang tak terduga adalah bahwa BA bertindak sebagai semikonduktor yang unggul. Pengujian mengungkapkan bahwa BA yang mereka ciptakan mengungguli silikon dalam beberapa kategori utama. Secara khusus, mereka menawarkan konduktivitas, mobilitas pembawa muatan, ekspansi termal yang lebih baik, dan dapat mendukung celah pita yang lebih lebar.

Menginspirasi Era Baru dalam Ilmu Material Termal

Karya ini menunjukkan mengapa para ilmuwan perlu terus mendorong batas-batas kemampuan untuk menghasilkan hasil yang unggul. Selama beberapa dekade, berlian menjadi raja konduktivitas termal yang tak terbantahkan. Kini, seluruh komunitas ilmiah harus mengevaluasi kembali teori-teorinya, yang membuka ruang bagi kemajuan baru yang sebelumnya dianggap mustahil.

Aplikasi dan Garis Waktu Boron Arsenida di Dunia Nyata

Ada banyak aplikasi untuk penelitian ini. Pertama, studi ini akan mengubah cara produsen berpikir tentang manajemen termal. Jika material ini dapat disintesis secara konsisten dengan biaya lebih rendah dan ketersediaan lebih banyak daripada alternatif berlian, hal ini membuka pintu bagi material dan elektronik manajemen panas generasi berikutnya. Berikut beberapa aplikasi potensialnya.

Elektronik Bertenaga Tinggi

Bayangkan Anda meletakkan laptop di pangkuan sepanjang hari tanpa pembuangan panas. Integrasi penghalang termal yang sangat konduktif ini dapat membantu mendorong era baru dalam elektronik berteknologi tinggi dan portabel. Perangkat dapat menjadi lebih cepat dan lebih bertenaga tanpa memerlukan dukungan sistem pendingin tambahan.

Kendaraan Listrik (EV) dan Elektronik Daya

Pasar kendaraan listrik (EV) dapat mengalami peningkatan kinerja yang signifikan berkat integrasi BA sebagai konduktor termal. Material ini berpotensi memungkinkan produsen untuk membuat kendaraan mereka lebih ringan dan lebih aman. Dengan demikian, mereka secara tidak langsung dapat memperoleh jarak tempuh yang lebih jauh dari sekali pengisian daya. Selain itu, strategi ini dapat mengurangi biaya EV di masa mendatang.

Pusat Data

Pusat data akan menjadi yang pertama merasakan manfaat dari teknologi ini. Ekosistem besar ini sangat dibutuhkan berkat ekspansi pasar AI yang mencapai rekor tertinggi. Dengan demikian, teknologi ini akan berdampak langsung pada sektor AI dalam hal kemampuan, kinerja, dan biaya operasional di masa mendatang.

Garis Waktu Boron Arsenida

Masyarakat sipil mungkin akan melihat jenis pelapis tahan panas ini digunakan pada perangkat elektronik mereka dalam 7-10 tahun ke depan. Namun, penggunaan militer dan aplikasi teknologi tinggi khusus lainnya mungkin akan mendapatkan akses ke material ini dalam 5 tahun atau kurang. Fakta bahwa biaya pembuatannya jauh lebih rendah dan lebih mudah diakses akan membantu mengurangi waktu integrasi secara signifikan.

Peneliti Boron Arsenida

The Konduktivitas termal boron arsenida di atas 2100 W per meter per Kelvin pada suhu ruangan Studi ini merupakan upaya kolaboratif yang menggabungkan penelitian dari beberapa institusi bergengsi, termasuk Universitas California, Santa Barbara, Boston College, dan Universitas Houston.

Secara khusus, makalah ini mencantumkan Profesor Zhifeng Ren, Bolin Liao, Ange Benise Niyikiza, Zeyu Xiang, Fanghao Zhang, Fengjiao Pan, Chunhua Li, Matthew Delmont, David Broido, dan Ying Peng sebagai kontributor karya tersebut.

Arah Penelitian Masa Depan untuk Material BA

Mengingat kerja keras selama bertahun-tahun yang dibutuhkan untuk mencapai tonggak sejarah monumental ini, diharapkan tim akan melanjutkan perjalanan mereka untuk meningkatkan konduktivitas termal BA. Di masa mendatang, mereka juga akan meneliti penggunaan material lain yang mungkin memberikan hasil yang sebanding atau lebih baik.

Berinvestasi di bidang Manufaktur Grafit

Terdapat banyak perusahaan yang memproduksi lapisan konduktif termal. Perusahaan-perusahaan ini sangat penting bagi sektor teknologi tinggi, transportasi, dan industri saat ini. Berikut adalah salah satu perusahaan yang telah berperan penting di pasar berkat upaya dan produk perintisnya.

Teknologi Graphjet

Teknologi Graphjet(GTI )Diluncurkan pada tahun 2019. Produsen grafit asal Malaysia ini menyediakan material anoda dan material penting lainnya untuk pasar kendaraan listrik (EV), elektronik, dan sistem komunikasi saat ini.

Perusahaan ini telah menjadi pelopor di pasar karena beberapa alasan dan memiliki kemitraan strategis dengan MIT, Universitas Manchester, dan banyak lainnya yang berupaya memperluas pendekatan berkelanjutan yang unik.

Graphjet Technology berbeda dari para pesaingnya dalam banyak hal. Pertama, perusahaan ini sangat mementingkan keberlanjutan. Ini adalah produsen pertama di dunia yang menciptakan proses skala industri yang mengubah limbah pertanian berupa cangkang inti sawit daur ulang menjadi grafit berkualitas baterai.

Fasilitas perusahaan di Malaysia menghasilkan grafit buatan dengan kemurnian tinggi, graphene lapisan tunggal, dan material penting lainnya. Yang mengesankan, fasilitas ini mampu mengubah 9,000 metrik ton limbah menjadi 3,000 metrik ton grafit setiap tahunnya. Selain itu, fasilitas ini hanya menghasilkan emisi CO2 sebesar 2.95 kg per kg grafit, menjadikannya 83% lebih bersih daripada alternatif lainnya.

Semua faktor ini terus mendorong perhatian investor terhadap Graphjet Technologies. Mereka yang mencari saham manufaktur yang inovatif dan berkelanjutan sebaiknya melakukan riset lebih lanjut tentang saham Graphjet.