L'arseniuro di boro ha appena superato il diamante nel trasferimento di calore

Un team internazionale di scienziati, guidato da ingegneri dell'Università di Houston, ha appena dimostrato l'erroneità di una teoria della conduttività termica, sostenuta da tempo. Il loro lavoro ha ampliato ulteriormente i confini della scienza dei materiali e potrebbe ispirare diverse innovazioni nei prossimi mesi. In quanto tale, è considerato una pietra miliare nella comunità scientifica. Ecco cosa c'è da sapere.

Perché la conduttività termica è importante nell'elettronica moderna

Per comprendere l'importanza di questa svolta, è fondamentale comprendere il ruolo cruciale che i rivestimenti termoisolanti svolgono nella tecnologia odierna. Questi rivestimenti, solitamente applicati a componenti metallici, contribuiscono a ridurre l'esposizione al calore di componenti vitali.

La barriera di conduttività termica che creano contribuisce a rendere i motori odierni più durevoli, i computer più veloci e rappresenta un elemento importante in molti settori industriali. Per questo motivo, la ricerca è in continua evoluzione per migliorare queste superfici. Sebbene i materiali sintetici abbiano compiuto numerosi progressi, nessuno di essi potrà mai competere con la natura.

Diamanti

Per molti decenni, i diamanti sono stati considerati il ​​miglior materiale isotropo per la conduzione del calore. I materiali isotropi sono unici in quanto offrono una distribuzione uniforme del calore in tutte le direzioni cristallografiche. Eccellenti nel trasferimento di calore per diversi motivi chiave, tra cui i loro stretti legami covalenti carbonio-carbonio.

Limitazioni del diamante come conduttore termico

L'utilizzo di rivestimenti termici diamantati comporta alcuni problemi che continuano a spingere i ricercatori a proseguire la ricerca su altri materiali. Innanzitutto, sono più costosi di altri materiali isotropi. Inoltre, possono essere difficili da lavorare.

Nonostante queste limitazioni, i diamanti vengono ancora utilizzati quando la rapida dissipazione del calore è fondamentale. Tuttavia, un numero crescente di ingegneri ritiene che sia possibile superare le prestazioni del diamante utilizzando materiali di sintesi. Un materiale che ha ricevuto crescente attenzione è l'arseniuro di boro.

Arseniuro di boro (BAs)

L'arseniuro di boro (BA) è emerso per la prima volta nel 1959, dopo che alcuni scienziati avevano sintetizzato con successo boro e arsenico. Questa prima sperimentazione è rimasta inattiva per molti decenni, fino agli anni 2000. Fu allora che i progressi nella modellazione computerizzata e nella scienza dei materiali resero improvvisamente possibile comprendere come i BA potessero fungere da potenziali conduttori di calore.

Solo nel 2013, David Broido, un fisico del Boston College, fece una previsione azzardata, descrivendo uno scenario in cui i BA avrebbero superato la conduttività termica del diamante. Utilizzò calcoli per dimostrare che il materiale era in grado di raggiungere una conduttività termica di 2200 W/m·K a temperatura ambiente utilizzando un approccio di scattering a tre fononi.

Nel 2015, il professor Zhifeng Ren dell'Università di Houston ha approfondito ulteriormente il concetto quando lui e il suo team hanno coltivato cristalli di BA in laboratorio e li hanno testati. Ha condotto diversi esperimenti in cui ha ottenuto una conduttività termica monocristallina di 1500 W/m·K a temperatura ambiente.

Questa valutazione collocava i BA al secondo posto, subito dopo i diamanti, in termini di conduttività termica. Ispirò inoltre ulteriori ricerche sul materiale e sui metodi per raggiungere la conduttività termica ottimale di 2200 W/m·K a temperatura ambiente, prevista da Broido anni prima.

Sfide nel raggiungimento di BA ad elevata purezza

Da allora, sono stati condotti studi sui BA come conduttori termici. Tuttavia, modifiche nelle strategie di diffusione dei fononi e altri problemi hanno portato gli ingegneri a vedere i loro risultati ridotti a circa 1,300 W/mK. Fortunatamente, uno studio recente ha mostrato le cause di queste limitazioni e come ridurle.

Studio sull'arseniuro di boro

Migliori Conduttività termica dell'arseniuro di boro superiore a 2100 W per metro per Kelvin a temperatura ambiente¹ Uno studio pubblicato sulla rivista scientifica Materials Today rivela come gli ingegneri siano riusciti a ottenere una conduttività termica senza precedenti pari a 2100 W/m·K nei monocristalli di arseniuro di boro a temperatura ambiente.

Qual'era il problema?

Come hanno notato gli ingegneri, i calcoli erano corretti, ma gli esperimenti non soddisfacevano le aspettative. È stato allora che hanno deciso di rivalutare i componenti principali e la strategia per vedere dove fosse possibile apportare miglioramenti. Un'area chiave in cui hanno notato una perdita di conduttività sono le impurità.

Fonte – Materials Today

In particolare, nei materiali isotropi, le capacità di trasferimento del calore seguono i percorsi cristallografici del materiale. In condizioni ottimali, questi percorsi garantiscono un movimento fluido. Tuttavia, gli ingegneri hanno notato che in esperimenti precedenti, i cristalli utilizzati presentavano diverse imperfezioni che ne compromettevano le prestazioni. Pertanto, hanno deciso di produrre i BA più puri possibili.

Come coltivare BA senza impurità

Per raggiungere questo obiettivo, hanno iniziato a ripensare il processo da zero. Sono partiti dall'arsenico ultrapuro. Da lì, sono stato sottoposto a una sintesi in quattro fasi, che ha ridotto ulteriormente le impurità.

Il passo successivo è stato quello di pulire completamente un tubo di quarzo. In particolare, gli ingegneri hanno utilizzato processi di pulizia standard per semiconduttori che prevedevano molteplici lavaggi a ultrasuoni con diversi materiali, tra cui acetone, etanolo e acqua deionizzata. Successivamente, il tubo è stato asciugato in forno, eliminando l'umidità residua.

Da lì, gli ingegneri hanno utilizzato luci di trasmissione per verificare la conduttività termica e la presenza di impurità. Hanno subito notato una concentrazione di difetti puntuali nei singoli cristalli sostanzialmente inferiore rispetto ai tentativi precedenti.

Come i ricercatori hanno misurato la conduttività termica delle BA

Gli scienziati hanno testato la conduttività termica dei cristalli utilizzando diversi metodi molto accurati. Il team ha inizialmente utilizzato il metodo della termoriflettanza nel dominio del tempo (TDTR) per registrare la conduttività termica. In questo test, gli ingegneri hanno rivestito i cristalli con uno strato trasduttore di Al da 100 nm utilizzando l'evaporazione a fascio di elettroni per garantire la precisione.

Da lì, il gruppo ha utilizzato la spettroscopia Raman per individuare eventuali impurità residue nei cristalli. Hanno quindi combinato i dati per ottenere una panoramica accurata delle capacità e dei difetti dei materiali. Ciò che hanno scoperto avrebbe modificato la dinamica termica in futuro.

Risultati da record sulla conduttività termica

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Il test del team ha dimostrato che le BA erano in grado di raggiungere una conduttività termica pari a quella del diamante. Nello specifico, gli scienziati hanno registrato 2,100 W/mK a temperatura ambiente. In particolare, gli spettri Raman hanno permesso agli ingegneri di osservare una dipendenza da T−1.8, aprendo la strada a ulteriori ricerche e miglioramenti delle prestazioni.

Gli ingegneri hanno notato che un calcolo teorico modificato avrebbe consentito loro di ottimizzare il processo per utilizzare uno scattering a tre fononi per fononi nell'intervallo 4-8 THz, anziché uno scattering a quattro fononi comunemente utilizzato oggi. Utilizzando questo approccio, il team è riuscito a registrare la dipendenza dalla temperatura da 300 a 400 K.

Benefici dell'arseniuro di boro

Questo lavoro porta molti vantaggi al mercato. Innanzitutto, apre le porte a dispositivi high-tech di domani, che diventeranno molto più accessibili e convenienti. I diamanti sono costosi e rari, mentre le biotecnologie possono essere prodotte su richiesta. Inoltre, sono più facili da produrre e integrare.

Arseniuro di boro come materiale semiconduttore

Una scoperta inaspettata è stata che i BA si comportano come semiconduttori superiori. I test hanno rivelato che i BA da loro creati hanno prestazioni superiori al silicio in diverse categorie chiave. In particolare, offrono una migliore conduttività, mobilità dei portatori, dilatazione termica e possono supportare un band gap più ampio.

Ispirare una nuova era nella scienza dei materiali termici

Questo lavoro dimostra perché gli scienziati debbano continuamente spingersi oltre i limiti per eccellere nei loro risultati. Per decenni, i diamanti sono stati i re indiscussi della conduttività termica. Ora, l'intera comunità scientifica deve rivalutare le proprie teorie, aprendo la strada a nuovi progressi precedentemente considerati impossibili.

Applicazioni pratiche e cronologia dell'arseniuro di boro

Le applicazioni di questo lavoro sono molteplici. Innanzitutto, lo studio cambierà il modo in cui i produttori concepiscono la gestione termica. Se questo materiale può essere sintetizzato in modo sistematico, a costi inferiori e con una maggiore disponibilità rispetto alle alternative al diamante, si apriranno le porte a materiali e componenti elettronici per la gestione del calore di nuova generazione. Ecco alcune potenziali applicazioni.

Elettronica ad alta potenza

Immagina di tenere il tuo laptop sulle ginocchia tutto il giorno senza alcuna dispersione di calore. L'integrazione di queste barriere termiche altamente conduttive potrebbe contribuire a dare il via a una nuova era nell'elettronica portatile e ad alta tecnologia. I dispositivi potrebbero diventare più veloci e potenti senza bisogno di un sistema di raffreddamento aggiuntivo.

Veicoli elettrici (EV) ed elettronica di potenza

Il mercato dei veicoli elettrici potrebbe registrare significativi miglioramenti nelle prestazioni grazie all'integrazione delle batterie al piombo acido come conduttori termici. Questi materiali potrebbero potenzialmente consentire ai produttori di rendere i loro veicoli più leggeri e sicuri. In questo modo, potrebbero indirettamente ottenere un chilometraggio maggiore con una singola carica. Inoltre, questa strategia potrebbe ridurre i costi dei veicoli elettrici in futuro.

Dati Centro

I data center saranno tra i primi a beneficiare dei vantaggi di questa tecnologia. Questi enormi ecosistemi sono molto richiesti grazie all'espansione record del mercato dell'intelligenza artificiale. Pertanto, questa tecnologia avrà un impatto diretto sul settore dell'intelligenza artificiale in termini di capacità, prestazioni e costi generali in futuro.

Cronologia dell'arseniuro di boro

I civili potrebbero vedere questo tipo di rivestimento termico utilizzato nei loro dispositivi elettronici entro i prossimi 7-10 anni. Tuttavia, l'uso militare e in altri settori specializzati ad alta tecnologia potrebbe avere accesso a questi materiali nei prossimi 5 anni o meno. Il fatto che costino molto meno da produrre e siano più facilmente accessibili dovrebbe contribuire a ridurre significativamente i tempi di integrazione.

Ricercatori di arseniuro di boro

Migliori Conduttività termica dell'arseniuro di boro superiore a 2100 W per metro per Kelvin a temperatura ambiente Lo studio è stato frutto di uno sforzo collaborativo che ha unito la ricerca di diverse istituzioni prestigiose, tra cui l'Università della California, Santa Barbara, il Boston College e l'Università di Houston.

Nello specifico, l'articolo elenca il professor Zhifeng Ren, Bolin Liao, Ange Benise Niyikiza, Zeyu Xiang, Fanghao Zhang, Fengjiao Pan, Chunhua Li, Matthew Delmont, David Broido e Ying Peng come contributori al lavoro.

Direzioni di ricerca future per i materiali BA

Considerati gli anni di lavoro necessari per raggiungere questo traguardo monumentale, si prevede che il team continuerà il suo percorso per migliorare la conduttività termica del BA. In futuro, si prenderà in considerazione anche l'utilizzo di altri materiali che potrebbero fornire risultati comparabili o migliori.

Investire nella produzione di grafite

Sono numerose le aziende che producono rivestimenti termoconduttivi. Queste aziende sono fondamentali per i settori high-tech, dei trasporti e dell'industria di oggi. Ecco un'azienda che ha avuto un ruolo fondamentale nel mercato grazie ai suoi sforzi pionieristici e ai suoi prodotti.

Tecnologia Graphjet

Tecnologia Graphjet(GTI )lanciato nel 2019. Questo produttore malese di grafite fornisce materiale anodico e altri materiali essenziali per l'attuale mercato dei veicoli elettrici, dell'elettronica e dei sistemi di comunicazione.

L'azienda è stata pioniera nel mercato per diverse ragioni e ha stretto partnership strategiche con il MIT, l'Università di Manchester e molti altri che cercano di espandere il suo esclusivo approccio sostenibile.

Graphjet Technology si differenzia dai suoi concorrenti per molti aspetti. Innanzitutto, l'azienda punta tutto sulla sostenibilità. È il primo produttore al mondo ad aver creato un processo su scala industriale che converte i rifiuti agricoli, sotto forma di gusci di palmisti riciclati, in grafite di qualità per batterie.

Lo stabilimento malese dell'azienda fornisce grafite artificiale ad alta purezza, grafene monostrato e altri materiali essenziali. È sorprendente che l'impianto possa convertire 9,000 tonnellate di rifiuti in 3,000 tonnellate di grafite all'anno. Inoltre, emette solo 2.95 kg di CO2 per kg di grafite, rendendolo l'83% più pulito rispetto alle alternative.

Tutti questi fattori continuano a guidare l'attenzione degli investitori verso Graphjet Technologies. Chi è alla ricerca di un titolo azionario innovativo e sostenibile nel settore manifatturiero dovrebbe approfondire le proprie ricerche sulle azioni Graphjet.