Una bottiglia termica ha il compito di preservare la temperatura, ma a volte si vuole ottenere il contrario:i chip dei computer generano calore che deve essere dissipato il più rapidamente possibile in modo che il chip non venga distrutto. Ciò richiede materiali speciali con proprietà di conduzione del calore particolarmente buone.

In collaborazione con gruppi provenienti da Cina e Stati Uniti, un team di ricerca della TU Wien ha quindi cercato di trovare il conduttore di calore ottimale. Alla fine hanno trovato quello che stavano cercando in una forma molto specifica di nitruro di tantalio:nessun altro materiale metallico conosciuto ha una conduttività termica più elevata. Per poter identificare questo materiale da record, hanno dovuto prima analizzare quali processi hanno un ruolo nella conduzione del calore in tali materiali a livello atomico. I risultati sono stati ora pubblicati sulla rivista scientifica Lettere di revisione fisica .

Elettroni e vibrazioni reticolari

"Fondamentalmente, ci sono due meccanismi con cui il calore si propaga in un materiale, " spiega il prof. Georg Madsen dell'Istituto di chimica dei materiali della TU Wien. "In primo luogo, attraverso gli elettroni che viaggiano attraverso il materiale, portando energia con sé. Questo è il meccanismo principale dei buoni conduttori elettrici. E in secondo luogo attraverso i fononi, che sono vibrazioni reticolari collettive nel materiale." Gli atomi si muovono, facendo oscillare altri atomi. A temperature più elevate, La conduzione del calore attraverso la propagazione di queste vibrazioni è solitamente l'effetto decisivo.

Ma né gli elettroni né le vibrazioni del reticolo possono propagarsi completamente senza ostacoli attraverso il materiale. Ci sono vari processi che rallentano questa propagazione dell'energia termica. Gli elettroni e le vibrazioni del reticolo possono interagire tra loro, possono sparpagliarsi, possono essere fermati da irregolarità nel materiale.

In alcuni casi, la conduzione del calore può anche essere drammaticamente limitata dal fatto che diversi isotopi di un elemento sono incorporati nel materiale, ad es. atomi simili con diverso numero di neutroni. In quel caso, gli atomi non hanno esattamente la stessa massa, e questo influenza il comportamento vibrazionale collettivo degli atomi nel materiale.

"Alcuni di questi effetti possono essere soppressi, ma di solito non tutti allo stesso tempo, " dice Georg Madsen. "È come giocare a Whack-A-Mole:risolvi un problema, e allo stesso tempo ne sorge uno nuovo da qualche altra parte."

nitruro di tantalio, il tuttofare

Nonostante la nostra esperienza quotidiana di bruciarci le mani su una piastra di metallo rovente, i metalli hanno tipicamente una conduttività termica mediocre. Il metallo con la più alta conduttività termica conosciuta è l'argento, con solo una frazione della conduttività del diamante materiale che detiene il record. Ma i diamanti sono costosi e molto difficili da lavorare.

Con elaborate analisi teoriche e simulazioni al computer, il team è finalmente riuscito a identificare un materiale adatto:la fase esagonale del nitruro di tantalio. Il tantalio è particolarmente favorevole perché non ci sono quasi isotopi differenti. Quasi il 99,99% del tantalio naturale è l'isotopo tantalio 181, altre varianti difficilmente si verificano.

"La combinazione con l'azoto e la speciale geometria su scala atomica rendono la fase metallica, e sopprime le interazioni delle vibrazioni che trasportano il calore con altre vibrazioni e con gli elettroni conduttori. Sono proprio quelle interazioni che inibiscono la conduzione del calore in altri materiali, " dice Georg Madsen. "Queste interazioni non sono possibili in questo materiale perché violerebbero la legge di conservazione dell'energia".

Perciò, questa forma di nitruro di tantalio combina diversi importanti vantaggi, rendendolo un materiale da record con una conducibilità termica diverse volte superiore all'argento e paragonabile al diamante.

"Per l'industria dei chip, il nitruro di tantalio è un materiale molto promettente, " Madsen è convinto. "I chip stanno diventando più piccoli e più potenti, quindi condurre il calore sta diventando un problema sempre più grande. Nessun altro materiale risolve questo problema meglio del nitruro di tantalio in fase ."