Investigadores de la Universidad de Houston han logrado un hito científico importante en el estudio de la transferencia de calor. Sus nuevos hallazgos anulan suposiciones arraigadas sobre la conductividad térmica y revelan que los arseniuros de boro (BA) pueden conducir el calor de manera más efectiva que el diamante, considerado durante mucho tiempo el punto de referencia entre los materiales isotrópicos.
El equipo de investigación descubrió que cuando los cristales de BA se producen con una pureza excepcional, pueden alcanzar valores de conductividad térmica de más de 2100 vatios por kelvin (W/mK) por metro a temperatura ambiente, posiblemente incluso superando al diamante.
Publicado en materiales hoyEl estudio desafía los modelos teóricos existentes y podría cambiar la forma en que los científicos piensan sobre el movimiento del calor a través de los sólidos. Los resultados también apuntan a una nueva y prometedora opción de semiconductores para dispositivos que exigen una gestión térmica avanzada, incluidos teléfonos inteligentes, dispositivos electrónicos de alta potencia y centros de datos.
“Creemos en nuestras mediciones; nuestros datos son precisos y eso significa que la teoría necesita revisión”, dijo Zhifeng Ren, autor correspondiente y profesor de física en la Facultad de Ciencias Naturales y Matemáticas de la UH. “No digo que la teoría sea errónea, pero es necesario hacer un ajuste para que sea coherente con los datos experimentales”.
Rompiendo el límite de retención prolongada
El descubrimiento surgió de una colaboración entre el Centro de Superconductividad de Texas en Houston (dirigido por Wren), la Universidad de California, Santa Bárbara y el Boston College.
Durante más de una década, el arseniuro de boro ha intrigado a los científicos. En 2013, el físico del Boston College y coautor del estudio, David Broido, y sus colegas predijeron que, en teoría, los BA podrían conducir el calor con tanta eficiencia (o mejor) que los diamantes. Sin embargo, los modelos revisados en 2017 agregaron un factor de complicación conocido como dispersión de cuatro fonones, que redujo el rendimiento previsto a alrededor de 1360 W/mK. Esto llevó a muchos en el campo a abandonar la idea de que los BA podrían exceder la conductividad del diamante.
El grupo de Ren, sin embargo, sospechaba que el problema no era la resistencia inherente del material sino las impurezas que contenía. Las muestras experimentales anteriores tenían defectos que limitaban la eficiencia a unos 1.300 W/mK, por debajo de las condiciones ideales utilizadas en las predicciones teóricas.
Cristal más limpio, resultados récord
Al refinar el arsénico en bruto y desarrollar métodos de síntesis avanzados, el equipo dirigido por UH produjo cristales de arseniuro de boro con muchos menos defectos. Cuando se probaron, estas muestras de alta pureza exhibieron una notable conductividad térmica de más de 2100 W/mK, superando no sólo los resultados experimentales anteriores sino también el techo teórico.
Este logro confirma que la pureza del material juega un papel decisivo en el rendimiento de la transferencia de calor y abre un camino hacia materiales conductores de calor más eficientes.
Por qué es importante el descubrimiento
El impacto de estos avances se extiende más allá de las mediciones de laboratorio. El arseniuro de boro tiene el potencial de revolucionar la electrónica y la tecnología de semiconductores al proporcionar un material que disipa el calor de manera efectiva y actúa como un semiconductor de alta calidad.
Sus beneficios incluyen:
- Fabricación más fácil y rentable que el diamante sin necesidad de temperaturas o presiones extremas.
- Conductividad térmica excepcional combinada con un comportamiento semiconductor eficiente.
- Rendimiento electrónico potencialmente superior en comparación con el silicio debido a la alta movilidad del portador, la amplia banda prohibida y el coeficiente de expansión térmica bien adaptado.
“Este nuevo material es muy bonito”, dijo Ren. “Tiene las mejores propiedades de ser un buen semiconductor y un buen conductor térmico: todo tipo de buenas propiedades en un solo material. Nunca ha sucedido en otros semiconductores”.
Mirando hacia el futuro: ampliando las fronteras de la física
Aunque este descubrimiento marca una nueva frontera, el trabajo continúa. Los investigadores del Centro de Superconductividad de Texas planean seguir perfeccionando sus métodos para mejorar aún más el rendimiento del arseniuro de boro.
El estudio es parte de un proyecto de la Fundación Nacional de Ciencias de 2,8 millones de dólares dirigido por Bolin Liao en UC Santa Barbara, con contribuciones de la Universidad de Houston, la Universidad de Notre Dame y UC Irvine. La investigación también recibió apoyo parcial del socio industrial Corvo.
Wren alienta a los científicos a revisar los modelos existentes y desafiar los supuestos teóricos que pueden contener componentes subestimados como BA.
“No debes permitir que una teoría te impida descubrir algo más grande, y este trabajo hizo precisamente eso”, dijo Ren.
