Os pesquisadores da Universidade de Houston alcançaram um marco científico importante na pesquisa de transferência de calor. Suas novas descobertas derrubam suposições de longa data sobre a condutividade térmica e revelam que o arsenieto de boro (BA) pode conduzir calor de forma mais eficiente do que o diamante, que há muito é considerado referência para materiais isotrópicos.
A equipe descobriu que quando os cristais BA são produzidos com pureza extremamente alta, sua condutividade térmica à temperatura ambiente pode atingir valores superiores a 2.100 watts por metro por Kelvin (W/mK), potencialmente excedendo a do próprio diamante.
Postado em Matéria de hojeA pesquisa desafia os modelos teóricos existentes e pode remodelar a forma como os cientistas pensam sobre o movimento térmico em materiais sólidos. As descobertas também apontam para uma nova opção promissora de semicondutores para dispositivos que exigem gerenciamento térmico avançado, incluindo smartphones, eletrônicos de alta potência e data centers.
“Confiamos nas nossas medições; os nossos dados estão corretos, o que significa que a teoria precisa de ser revista”, disse o autor correspondente, Zhifeng Ren, professor de física na Escola de Ciências Naturais e Matemática da Universidade do Havai. “Não estou dizendo que a teoria esteja errada, mas precisa ser ajustada para ser consistente com os dados experimentais”.
Supere as limitações de longo prazo
A descoberta foi o resultado de uma colaboração entre o Texas Superconductivity Center da Universidade de Houston (dirigido por Ren), a Universidade da Califórnia, Santa Bárbara e o Boston College.
O arsenieto de boro intriga os cientistas há mais de uma década. Em 2013, David Broido, físico do Boston College e coautor do estudo, e colegas previram que a BA poderia, teoricamente, conduzir calor com a mesma eficiência do diamante ou até melhor. No entanto, uma revisão do modelo em 2017 adicionou um fator complicador chamado espalhamento de quatro fônons, que reduziu o desempenho da previsão para cerca de 1.360 W/mK. Isso levou muitos profissionais da área a abandonar a ideia de que o BA poderia exceder a condutividade do diamante.
No entanto, a equipe de Ren suspeita que o problema não está nas capacidades inerentes do material, mas nas impurezas contidas nele. As primeiras amostras experimentais apresentavam falhas que limitavam o desempenho a cerca de 1.300 W/mK, bem abaixo das condições ideais usadas nas previsões teóricas.
Cristais mais limpos, resultados recordes
Ao refinar a matéria-prima de arsênico e desenvolver métodos de síntese aprimorados, uma equipe liderada pela Universidade do Havaí criou cristais de arsenieto de boro com significativamente menos defeitos. Quando testadas, essas amostras de alta pureza exibiram excelentes condutividades térmicas de mais de 2.100 W/mK, excedendo não apenas os resultados experimentais anteriores, mas também o próprio limite superior teórico.
Esta conquista confirma que a pureza do material desempenha um papel decisivo no desempenho da transferência de calor e abre caminho para o desenvolvimento de materiais termicamente condutores mais eficientes.
Por que esta descoberta é importante
O impacto desta descoberta vai muito além das medições laboratoriais. O arsenieto de boro tem o potencial de revolucionar a tecnologia eletrônica e de semicondutores, fornecendo um material que pode dissipar o calor com eficiência e atuar como um semicondutor de alta qualidade.
Suas vantagens incluem:
- Comparado ao diamante, é mais fácil e econômico de fabricar e não requer temperaturas ou pressões extremas.
- Excelente condutividade térmica combinada com comportamento semicondutor eficiente.
- Propriedades eletrônicas potencialmente superiores em comparação ao silício devido à sua alta mobilidade de portadora, amplo bandgap e coeficiente de expansão térmica bem combinado.
“Este novo material é ótimo”, disse Ren. “Ele tem as melhores propriedades de um bom semicondutor e de um bom condutor de calor – todas boas propriedades em um material. Isso nunca aconteceu com outros materiais semicondutores.”
Olhando para o futuro: ultrapassando os limites da física
Embora esta descoberta marque uma nova fronteira, o trabalho continua. Pesquisadores do Texas Superconductivity Center planejam continuar melhorando seu método, com o objetivo de melhorar ainda mais o desempenho do arsenieto de boro.
A pesquisa faz parte de um projeto de US$ 2,8 milhões da National Science Foundation liderado por Bolin Liao, da Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara, com contribuições da Universidade de Houston, da Universidade de Notre Dame e da Universidade da Califórnia, em Irvine. A pesquisa também foi apoiada em parte pelo parceiro industrial Qorvo.
Ren incentiva os cientistas a revisitarem os modelos existentes e desafiarem suposições teóricas que podem subestimar materiais como o BA.
“Você não deveria permitir que a teoria o impedisse de descobrir algo maior, e foi exatamente isso que aconteceu neste trabalho”, disse Ren.
