Un team internazionale di fisici, scienziati dei materiali, e gli ingegneri meccanici hanno confermato l'elevata conduttività termica prevista nel nitruro di boro cubico arricchito isotopicamente, i ricercatori riferiscono nell'edizione elettronica anticipata della rivista Scienza .

La conduttività termica di un materiale trasmette quanto calore può attraversarlo quando le sue estremità sono a temperature diverse. I materiali ad altissima conducibilità termica hanno importanti applicazioni tecnologiche, come la microelettronica di raffreddamento. Ma ne sono stati scoperti pochissimi.

I teorici avevano previsto che il nitruro di boro cubico isotopicamente puro (c-BN), dovrebbe avere una conduttività termica estremamente elevata, seconda solo ai cristalli di carbonio, come il diamante.

"Volevamo determinare se c-BN di alta qualità può effettivamente essere fatto per osservare le grandi grandezze di conducibilità termica in c-BN, e se l'enorme aumento della conduttività termica con la purificazione isotopica previsto dai calcoli teorici è misurato nel materiale reale, ", ha affermato il professore di fisica del Boston College David Broido, coautore della relazione.

c-BN è particolarmente impegnativo da realizzare. Anche, è difficile misurare con precisione la conducibilità termica quando il valore è alto. La squadra ha superato queste sfide, e i valori di conducibilità termica misurati per i campioni di c-BN erano abbastanza vicini a quelli che avevano calcolato.

"Lo studio conferma che il c-BN è uno dei pochissimi materiali ad altissima conduttività termica, e mostra che ha il più grande aumento della sua conduttività termica sull'arricchimento isotopico mai osservato, " disse Broido.

Il team ha anche studiato i composti correlati, fosfuro di boro (BP) e arseniuro di boro (BA). La maggior parte degli elementi in natura ha miscele di isotopi, Broido spiegato. Per esempio, il boro naturale ha due isotopi, circa il 20% di boro-10 e l'80% di boro-11. Questi diversi isotopi in tutto il materiale producono disordine che si aggiunge alla resistenza termica. Realizzando il materiale con un solo isotopo (solo B-10 o solo B-11) attraverso l'arricchimento isotopico, questa resistenza si riduce quindi la conducibilità termica aumenta, Egli ha detto.

Per una straordinaria coincidenza di natura, gli elementi azoto, fosforo e arsenico, che si legano naturalmente al boro per produrre c-BN, BP e BA, hanno un solo isotopo. Così, per questi composti il ​​disordine isotopico è solo sugli atomi di boro e quindi è lo stesso in tutti e tre i composti fatti con boro naturale, disse Broido. Ancora, l'arricchimento isotopico degli atomi di boro ha dato un raddoppio della conduttività termica per c-BN, ma aumenti molto più contenuti per BP e BA.

Gli atomi di boro e azoto hanno all'incirca la stessa massa, mentre l'arsenico e il fosforo sono più pesanti.

"Abbiamo dimostrato che le maggiori masse di arsenico e fosforo rispetto al boro hanno causato il disordine isotopico in BA e BP per dare solo una piccola resistenza al flusso di calore, " disse Broido, che ha eseguito calcoli teorici con il borsista post-dottorato del Boston College Navaneetha K. Ravichandran. "È come se il disturbo isotopico diventasse invisibile al calore che scorre attraverso i campioni BA e BP".

In contrasto, rimuovere la stessa quantità di disordine attraverso l'arricchimento isotopico in c-BN si traduce in un enorme aumento della conduttività termica.

In tutto, 24 ricercatori hanno contribuito al progetto. Oltre al Boston College, il team includeva i gruppi di ricerca di Gang Chen al MIT, David Cahill dell'Università dell'Illinois, Urbana-Champaign, Li Shi all'Università del Texas ad Austin, Bing Lv all'Università del Texas a Dallas, Zhifeng Ren presso l'Università di Houston, e Takashi Taniguchi presso l'Istituto nazionale giapponese per la scienza dei materiali.

"È stato incredibile vedere i dati misurati e i calcoli teorici concordare così strettamente l'uno con l'altro. La teoria non ha parametri che possono essere regolati per adattarsi alle misurazioni. O concorda con le misurazioni o no, - disse Broido. - L'ottimo accordo mette in evidenza l'esattezza della teoria, la precisione delle misurazioni, e l'elevata purezza dei campioni."

Broido ha affermato che sono necessarie ulteriori indagini per comprendere meglio i tipi di difetti che si verificano nel c-BN e che agiscono per ridurne la conduttività termica. Poiché tali materiali ad altissima conduttività termica sono così rari, spera che le ricerche teoriche e computazionali possano identificare nuovi candidati e svelare i misteri che circondano le loro proprietà abituali.