Material de condução de calor que quebra recordes economizará chips de computador

Em colaboração com grupos da China e dos Estados Unidos, uma equipe de pesquisa da TU Wien partiu para encontrar o condutor de calor ideal. Eles finalmente encontraram o que procuravam em uma forma muito específica de nitreto de tântalo – nenhum outro material metálico conhecido tem uma condutividade térmica mais alta. Para poder identificar esse material recorde, eles primeiro tiveram que analisar quais processos desempenham um papel na condução de calor em tais materiais em nível atômico.

"Basicamente, existem dois mecanismos pelos quais o calor se propaga em um material", explicou o professor Georg Madsen, do Instituto de Química de Materiais da TU Wien. "Primeiro, pelos elétrons que viajam pelo material, levando energia com eles. Esse é o principal mecanismo dos bons condutores elétricos. E segundo, pelos fônons, que são vibrações coletivas da rede no material." Os átomos se movem, fazendo com que outros átomos oscilem. Em temperaturas mais altas, a condução de calor através da propagação dessas vibrações é geralmente o efeito decisivo.

Mas nem os elétrons nem as vibrações da rede podem se propagar completamente sem impedimentos através do material. Existem vários processos que retardam essa propagação de energia térmica. Elétrons e vibrações de rede podem interagir uns com os outros, eles podem se espalhar, eles podem ser interrompidos por irregularidades no material. Em alguns casos, a condução de calor pode até ser drasticamente limitada pelo fato de que diferentes isótopos de um elemento são incorporados ao material. Nesse caso, os átomos não têm exatamente a mesma massa, e isso afeta o comportamento vibracional coletivo dos átomos.

"Alguns desses efeitos podem ser suprimidos - mas geralmente não todos ao mesmo tempo", disse Madsen. "É como jogar Whack-A-Mole:você resolve um problema e, ao mesmo tempo, um novo surge em outro lugar."

Os metais normalmente têm uma condutividade térmica medíocre. O metal com a maior condutividade térmica conhecida é a prata – com apenas uma fração da condutividade do material recordista:o diamante. Mas os diamantes são caros e muito difíceis de processar.

Com elaboradas análises teóricas e simulações de computador, a equipe finalmente conseguiu identificar um material adequado:a fase θ hexagonal do nitreto de tântalo. O tântalo é particularmente favorável porque quase não possui isótopos diferentes. Quase 99,99% do tântalo natural é o isótopo tântalo 181; outras variantes dificilmente ocorrem.

"A combinação com o nitrogênio e a geometria especial da escala atômica tornam a fase metálica e suprime as interações das vibrações portadoras de calor com outras vibrações e com os elétrons condutores. São exatamente essas interações que inibem a condução de calor em outros materiais", disse Madsen. "Essas interações não são possíveis neste material porque violariam a lei da conservação de energia."

Portanto, esta forma de nitreto de tântalo combina várias vantagens importantes, tornando-o um material recorde com uma condutividade térmica várias vezes maior que a prata e comparável ao diamante. De acordo com Madsen, o nitreto de tântalo é um material altamente promissor para a indústria de chips. "Os chips estão ficando menores e mais poderosos, então a condução de calor está se tornando um problema cada vez maior. Nenhum outro material resolve esse problema melhor do que o nitreto de tântalo de fase θ", disse ele.