Os cientistas acabaram de encontrar um material que vence o diamante em seu próprio jogo

A equipe de pesquisa descobriu que quando os cristais BAs são produzidos com pureza excepcional, eles podem atingir valores de condutividade térmica superiores a 2.100 watts por metro por Kelvin (W/mK) à temperatura ambiente – possivelmente superando o próprio diamante.

Publicado em Materiais hojeo estudo desafia os modelos teóricos existentes e pode remodelar a forma como os cientistas pensam sobre o movimento do calor através de materiais sólidos. Os resultados também apontam para uma nova opção promissora de semicondutores para dispositivos que exigem gerenciamento térmico avançado, incluindo smartphones, eletrônicos de alta potência e data centers.

“Confiamos na nossa medição; os nossos dados estão corretos e isso significa que a teoria precisa de correção”, disse Zhifeng Ren, autor correspondente e professor de física na Faculdade de Ciências Naturais e Matemática da UH. “Não estou dizendo que a teoria esteja errada, mas é necessário fazer um ajuste para ser consistente com os dados experimentais”.

Rompendo limites de longa data

A descoberta surgiu de uma colaboração entre o Centro de Supercondutividade do Texas da Universidade de Houston (dirigido por Ren), a Universidade da Califórnia, Santa Bárbara e o Boston College.

Por mais de uma década, o arseneto de boro intrigou os cientistas. Em 2013, David Broido, físico do Boston College e coautor do estudo, e colegas previram que os BAs poderiam, teoricamente, conduzir calor de forma tão eficiente – ou até melhor – que o diamante. No entanto, os modelos revisados ​​em 2017 adicionaram um fator complexo conhecido como espalhamento de quatro fônons, que reduziu o desempenho previsto para cerca de 1.360 W/mK. Isso fez com que muitos na área abandonassem a ideia de que os BAs poderiam exceder a condutividade do diamante.

O grupo de Ren, no entanto, suspeitava que o problema não fosse a capacidade intrínseca do material, mas as impurezas contidas nele. Amostras experimentais anteriores continham defeitos que limitavam o desempenho a cerca de 1.300 W/mK, bem abaixo das condições ideais usadas nas previsões teóricas.

Cristais mais limpos, resultados recordes

Ao refinar o arsênico bruto e desenvolver métodos de síntese aprimorados, a equipe liderada pela UH criou cristais de arsenieto de boro com significativamente menos imperfeições. Quando testadas, estas amostras de alta pureza demonstraram uma condutividade térmica notável acima de 2.100 W/mK – superando não apenas os resultados experimentais anteriores, mas também o próprio teto teórico.

Esta conquista confirma que a pureza do material desempenha um papel decisivo no desempenho da transferência de calor e abre caminho para materiais condutores de calor ainda mais eficientes.

Por que a descoberta é importante

As implicações desta descoberta vão muito além das medições laboratoriais. O arsenieto de boro tem o potencial de revolucionar a tecnologia eletrônica e de semicondutores, fornecendo um material que dissipa o calor de maneira eficaz e funciona como um semicondutor de alta qualidade.

Suas vantagens incluem:

• Fabricação mais fácil e econômica em comparação ao diamante, sem a necessidade de temperaturas ou pressões extremas.
• Condutividade térmica excepcional combinada com comportamento eficiente de semicondutores.
• Desempenho eletrônico potencialmente superior em comparação ao silício devido à sua alta mobilidade de portadora, amplo intervalo de banda e coeficiente de expansão térmica bem combinado.

“Este novo material é tão maravilhoso”, disse Ren. “Ele tem as melhores propriedades de um bom semicondutor e um bom condutor térmico – todos os tipos de boas propriedades em um material. Isso nunca aconteceu em outros materiais semicondutores.”

Olhando para o Futuro: Ultrapassando os Limites da Física

Embora esta descoberta marque uma nova fronteira, o trabalho continua. Pesquisadores do Texas Center for Superconductivity planejam continuar refinando seus métodos, com o objetivo de melhorar ainda mais o desempenho do arsenieto de boro.

O estudo faz parte de um projeto da National Science Foundation de US$ 2,8 milhões liderado por Bolin Liao na UC Santa Barbara, com contribuições da Universidade de Houston, da Universidade de Notre Dame e da UC Irvine. A pesquisa também recebe apoio parcial do parceiro industrial Qorvo.

Ren incentiva os cientistas a revisitarem os modelos existentes e desafiarem suposições teóricas que podem ter subestimado materiais como BAs.

“Você não deveria permitir que uma teoria o impedisse de descobrir algo ainda maior, e isso aconteceu exatamente neste trabalho”, disse Ren.