Se il tuo laptop o cellulare inizia a scaldarsi dopo aver giocato ore ai videogiochi o aver eseguito troppe app contemporaneamente, quei dispositivi stanno effettivamente facendo il loro lavoro.

Spostare il calore lontano dai circuiti all'interno di un computer verso l'ambiente esterno è fondamentale:i chip del computer surriscaldati possono rallentare o bloccare i programmi, spegnere del tutto il dispositivo o causare danni permanenti.

Poiché i consumatori chiedono più piccoli, dispositivi elettronici più veloci e potenti che assorbono più corrente e generano più calore, il problema della gestione del calore sta raggiungendo un collo di bottiglia. Con la tecnologia attuale, c'è un limite alla quantità di calore che può essere dissipata dall'interno verso l'esterno.

I ricercatori dell'Università del Texas a Dallas e i loro collaboratori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign e dell'Università di Houston hanno creato una potenziale soluzione, descritto in uno studio pubblicato online il 5 luglio sulla rivista Scienza .

Bing Lv (pronunciato "amore"), assistente professore di fisica presso la School of Natural Sciences and Mathematics a UT Dallas, e i suoi colleghi hanno prodotto cristalli di un materiale semiconduttore chiamato arseniuro di boro che hanno una conduttività termica estremamente elevata, una proprietà che descrive la capacità di un materiale di trasportare calore.

"La gestione del calore è molto importante per le industrie che si affidano a chip e transistor per computer, " disse Lv, un corrispondente autore dello studio. "Per l'alta potenza, piccola elettronica, non possiamo usare il metallo per dissipare il calore perché il metallo può causare un cortocircuito. Non possiamo applicare ventole di raffreddamento perché occupano spazio. Ciò di cui abbiamo bisogno è un semiconduttore economico che disperda anche molto calore".

La maggior parte dei chip per computer odierni sono realizzati con l'elemento silicio, un materiale semiconduttore cristallino che svolge un lavoro adeguato di dissipazione del calore. Ma il silicio in combinazione con altre tecnologie di raffreddamento incorporate nei dispositivi, può gestire solo così tanto.

Il diamante ha la più alta conducibilità termica conosciuta, intorno alle 2, 200 watt per metro-kelvin, rispetto a circa 150 watt per metro-kelvin per il silicio. Sebbene il diamante sia stato incorporato occasionalmente in applicazioni impegnative di dissipazione del calore, il costo dei diamanti naturali e i difetti strutturali nei film di diamanti artificiali rendono il materiale poco pratico per un uso diffuso nell'elettronica, ha detto Lv.

Nel 2013, i ricercatori del Boston College e del Naval Research Laboratory hanno pubblicato una ricerca che prevedeva che l'arseniuro di boro potrebbe potenzialmente funzionare così come il diamante come diffusore di calore. Nel 2015, Lv e i suoi colleghi dell'Università di Houston hanno prodotto con successo tali cristalli di arseniuro di boro, ma il materiale aveva una conduttività termica abbastanza bassa, circa 200 watt per metro-kelvin.

Da allora, Il lavoro di Lv a UT Dallas si è concentrato sull'ottimizzazione del processo di crescita dei cristalli per aumentare le prestazioni del materiale.

"Abbiamo lavorato a questa ricerca negli ultimi tre anni, e ora hanno portato la conducibilità termica fino a circa 1, 000 watt per metro-kelvin, che è secondo solo al diamante in materiali sfusi, "Lev ha detto.

Lv ha lavorato con l'associato di ricerca post-dottorato Sheng Li, co-autore principale dello studio, e la dottoranda in fisica Xiaoyuan Liu, anche autore di studi, per creare i cristalli ad alta conducibilità termica a UT Dallas usando una tecnica chiamata trasporto chimico del vapore. Le materie prime, gli elementi boro e arsenico, sono poste in una camera calda da un lato e fredda dall'altro. All'interno della camera, un'altra sostanza chimica trasporta il boro e l'arsenico dall'estremità calda a quella più fredda, dove gli elementi si combinano per formare cristalli.

"Per passare dai nostri risultati precedenti di 200 watt per metro-kelvin fino a 1, 000 watt per metro-kelvin, avevamo bisogno di regolare molti parametri, comprese le materie prime con cui siamo partiti, la temperatura e la pressione della camera, anche il tipo di tubi che abbiamo usato e come abbiamo pulito l'attrezzatura, "Lev ha detto.

I gruppi di ricerca di David Cahill e Pinshane Huang presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign hanno svolto un ruolo chiave nel lavoro attuale, studiando i difetti nei cristalli di arseniuro di boro mediante microscopia elettronica all'avanguardia e misurando la conduttività termica dei cristalli molto piccoli prodotti a UT Dallas.

"Misuriamo la conduttività termica utilizzando un metodo sviluppato in Illinois negli ultimi dodici anni chiamato 'termoriflettanza nel dominio del tempo' o TDTR, " ha detto Cahill, professore e capo del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali e corrispondente autore dello studio. "TDTR ci consente di misurare la conduttività termica di quasi tutti i materiali in un'ampia gamma di condizioni ed è stato essenziale per il successo di questo lavoro".

Il modo in cui il calore viene dissipato nell'arseniuro di boro e in altri cristalli è legato alle vibrazioni del materiale. Mentre il cristallo vibra, il movimento crea pacchetti di energia chiamati fononi, che possono essere pensati come quasiparticelle che trasportano calore. Lv ha affermato che le caratteristiche uniche dei cristalli di arseniuro di boro, inclusa la differenza di massa tra gli atomi di boro e di arsenico, contribuiscono alla capacità dei fononi di allontanarsi in modo più efficiente dai cristalli.

"Penso che l'arseniuro di boro abbia un grande potenziale per il futuro dell'elettronica, " ha detto Lv. "Le sue proprietà di semiconduttore sono molto paragonabili al silicio, ecco perché sarebbe ideale incorporare l'arseniuro di boro nei dispositivi semiconduttori".

Lv ha detto che mentre l'elemento arsenico da solo può essere tossico per l'uomo, una volta incorporato in un composto come l'arseniuro di boro, il materiale diventa molto stabile e atossico.

Il prossimo passo nel lavoro includerà la sperimentazione di altri processi per migliorare la crescita e le proprietà di questo materiale per applicazioni su larga scala, ha detto Lv.