Azotek tantalu: nowy rekordzista w kategorii „przewodnictwo cieplne”

Miedź od ponad wieku uznawana jest za jeden z najlepszych przewodników ciepła występujących w naturze, a ta jej właściwość sprawiła, że stała się podstawowym materiałem wykorzystywanym w radiatorach i wymiennikach ciepła. Teraz jednak pojawił się nowy rekordzista pod względem zdolności odprowadzania ciepła.

Jak opisano na łamach „Science”, metaliczny materiał ceramiczny zwany azotkiem tantalu w fazie θ osiągnął przewodnictwo cieplne na poziomie około 1110 W/m×K – niemal trzykrotnie wyższe niż w przypadku miedzi, której przewodnictwo wynosi około 400 W/m×K. Co więcej, działa w sposób, jakiego naukowcy wcześniej nie zaobserwowali. „Nasz wynik bije rekord przewodnictwa ciepła w materiałach metalicznych – mówi główny autor badania Yongjie Hu, fizyk i inżynier z University of California w Los Angeles. – Jeśli wziąć pod uwagę jego wyjątkowe cechy, ten przewodnik może być wykorzystywany zamiennie z miedzią lub nawet ją zastąpić.”

Podobnie jak czysty węgiel może występować w postaci diamentu, grafenu i innych struktur, tak azotek tantalu również istnieje w wielu odmianach alotropowych o bardzo różnych właściwościach. Naukowcy znali niektóre z nich od dziesięcioleci, ale aż do teraz nikt nie badał konkretnej konfiguracji, na której skupili się Hu i jego współpracownicy – takiej, w której atomy materiału tworzą ciągłą, silnie uporządkowaną sieć krystaliczną.

Badacze odkryli, że w tej strukturze zarówno elektrony, jak i kwazicząstki energii drgań sieci krystalicznej zwane fononami – odpowiedzialne za przenoszenie ciepła i dźwięku – napotykały znacznie mniejszy opór niż w konwencjonalnych metalach, co pozwalało im skuteczniej przewodzić ciepło.

Materiał ujawnił także zupełnie nowy mechanizm zwiększania przewodnictwa cieplnego w metalach. W zwykłych metalach fonony często zderzają się ze sobą oraz z elektronami, co ogranicza ich zdolność do rozpraszania ciepła. W badanej przez Hu i jego zespół odmianie azotku tantalu struktura krystaliczna pozwala fononom przemieszczać się na wyjątkowo duże odległości przy minimalnych zakłóceniach. Zdaniem Hu odkrycie to wyznacza nowy kierunek dla naukowców projektujących przewodniki cieplne nowej generacji.

„Wyniki tego badania są zarówno wyjątkowe, jak i koncepcyjnie bardzo istotne” – mówi Xiaojia Wang, inżynier mechanik z University of Minnesota, która nie brała udziału w pracach badawczych. Jak dodaje, zespół bardzo rygorystycznie zweryfikował wyniki swoich pomiarów, więc raczej są one wiarygodne. Jeśli uda się produkować ten materiał na dużą skalę, może to mieć „ogromny wpływ” na zarządzanie ciepłem w elektronice, centrach danych i systemach energetycznych.

Hu dodaje, że azotek tantalu w fazie θ może okazać się szczególnie cenny ze względu na coraz powszechniejsze związane z wykorzystaniem sztucznej inteligencji problemy z odprowadzaniem ciepła z centrów danych.

Dla materiałoznawców badanie to może być również inspiracją do prób przekraczania innych długo uznawanych ograniczeń. „Czy naprawdę rozumiemy, gdzie leżą rzeczywiste granice, które przez dekady uznawaliśmy za fundamentalne, a są jedynie odzwierciedleniem naszych możliwości technicznych i poziomu wiedzy? – pyta Hu. – Skoro udało się pobić rekord przewodnictwa cieplnego, zaczynamy zastanawiać się, czy inne domniemane granice fizyki materiałów również mogą zostać przekroczone.”