Un materiale improbabile, arseniuro di boro cubico, potrebbe fornire una conduttività termica straordinariamente elevata - alla pari con lo standard industriale stabilito dal costoso diamante - i ricercatori riferiscono nell'attuale numero della rivista Lettere di revisione fisica .
La scoperta che il composto chimico di boro e arsenico potrebbe rivaleggiare con il diamante, il più noto conduttore termico, ha sorpreso il team di fisici teorici del Boston College e del Naval Research Laboratory. Ma un nuovo approccio teorico ha permesso al team di svelare il segreto della capacità potenzialmente straordinaria dell'arseniuro di boro di condurre il calore.
Più piccoli, dispositivi microelettronici più veloci e potenti pongono l'ardua sfida di rimuovere il calore che generano. Buoni conduttori termici posti a contatto con tali dispositivi convogliano rapidamente il calore lontano da "punti caldi" indesiderati che riducono l'efficienza di questi dispositivi e possono causarne il guasto.
Il diamante è la gemma più pregiata. Ma, oltre la sua brillantezza e bellezza in gioielleria, ha molte altre proprietà notevoli. Insieme ai suoi cugini carbonio grafite e grafene, il diamante è il miglior conduttore termico a temperatura ambiente, con conducibilità termica superiore a 2, 000 watt per metro per Kelvin, che è cinque volte superiore ai migliori metalli come il rame. Attualmente, il diamante è ampiamente utilizzato per rimuovere il calore dai chip dei computer e da altri dispositivi elettronici. Sfortunatamente, il diamante è raro e costoso, e il diamante sintetico di alta qualità è difficile e costoso da produrre. Ciò ha stimolato la ricerca di nuovi materiali con conducibilità termica ultraelevate, ma negli ultimi anni sono stati fatti pochi progressi.
L'elevata conduttività termica del diamante è ben compresa, derivante dalla leggerezza degli atomi di carbonio costituenti e dai rigidi legami chimici tra di loro, secondo il co-autore David Broido, professore di fisica al Boston College. D'altra parte, Non ci si aspettava che l'arseniuro di boro fosse un conduttore termico particolarmente buono e infatti era stato stimato – utilizzando criteri di valutazione convenzionali – che avesse una conducibilità termica 10 volte inferiore a quella del diamante.
Il team ha scoperto che la conduttività termica calcolata dell'arseniuro di boro cubico è notevolmente elevata, più di 2000 Watt per metro per Kelvin a temperatura ambiente e superiore a quella del diamante a temperature più elevate, secondo Broido e i coautori Tom Reinecke, scienziato senior presso il Laboratorio di ricerca navale, e Lucas Lindsay, un ricercatore post-dottorato presso l'NRL che ha conseguito il dottorato presso la BC.
Broido ha affermato che il team ha utilizzato un approccio teorico sviluppato di recente per il calcolo della conduttività termica, che avevano precedentemente testato con molti altri materiali ben studiati. Fiduciosi nel loro approccio teorico, il team ha esaminato più da vicino l'arseniuro di boro, la cui conducibilità termica non è mai stata misurata.
A differenza dei metalli, dove gli elettroni trasportano calore, il diamante e l'arseniuro di boro sono isolanti elettrici. Per loro, il calore è trasportato dalle onde vibrazionali degli atomi costituenti, e la collisione di queste onde tra loro crea una resistenza intrinseca al flusso di calore. Il team è stato sorpreso di trovare un'interazione insolita di alcune proprietà vibrazionali nell'arseniuro di boro che esulano dalle linee guida comunemente utilizzate per stimare la conduttività termica degli isolanti elettrici. Risulta che le collisioni previste tra le onde vibrazionali sono molto meno probabili in un certo intervallo di frequenze. Così, a queste frequenze, grandi quantità di calore possono essere condotte nell'arseniuro di boro.
"Questo lavoro fornisce nuove importanti informazioni sulla fisica del trasporto di calore nei materiali, e illustra la potenza delle moderne tecniche computazionali nel fare previsioni quantitative per materiali la cui conduttività termica deve ancora essere misurata, " ha detto Broido. "Siamo entusiasti di vedere se la nostra scoperta inaspettata per l'arseniuro di boro può essere verificata mediante misurazione. Se è così, potrebbe aprire nuove opportunità per applicazioni di raffreddamento passivo utilizzando arseniuro di boro, e dimostrerebbe ulteriormente l'importante ruolo che tale lavoro teorico può svolgere nel fornire una guida utile per identificare nuovi materiali ad alta conduttività termica".
