Με απόδοση τρεις φορές καλύτερη από αυτή του χαλκού το νέο υλικό θ-TaN, θα μπορούσε να βελτιώσει σημαντικά την διαχείριση της θερμότητας σε ηλεκτρονικά, κέντρα δεδομένων και ενεργειακά συστήματα.

Ο χαλκός για περισσότερο από έναν αιώνα έχει αναγνωριστεί ως ένας από τους καλύτερους αγωγούς θερμότητας στη φύση και αυτή του η ιδιότητα κατέστησε τον χαλκό την ιδανική επιλογή για την ψύξη ηλεκτρονικών συσκευών, βιομηχανικού εξοπλισμού, κέντρων δεδομένων και συστημάτων παραγωγής ενέργειας. Όμως, ένα νέο μέταλλο έχει κάνει την εμφάνισή του και σπάει κάθε ρεκόρ ψύξης.

Όπως αναφέρεται στο περιοδικό Science, ένα μεταλλικό υλικό που ονομάζεται νιτρίδιο του τανταλίου φάσης θ πέτυχε θερμική αγωγιμότητα 1.110 W/m·K – περίπου τρεις φορές υψηλότερη από τα 400 W/m·K του χαλκού. Και λειτουργεί με έναν τρόπο που οι επιστήμονες δεν έχουν ξαναδεί ποτέ μέχρι σήμερα. «Το αποτέλεσμά μας καταρρίπτει το ιστορικό όριο στη μεταφορά θερμότητας στα μεταλλικά υλικά», αναφέρει ο κύριος συγγραφέας της μελέτης Yongjie Hu, φυσικός και μηχανικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Λος Άντζελες (UCLA). «Δεδομένης της υψηλής απόδοσης [αυτού του αγωγού], έχει τη δυνατότητα να λειτουργήσει συμπληρωματικά ή ακόμα και να αντικαταστήσει τον χαλκό».

Παρόμοια με τον τρόπο που ο καθαρός άνθρακας μπορεί να σχηματίσει διαμάντια, γραφένιο ή άλλες δομές, το νιτρίδιο του τανταλίου υπάρχει σε πολλαπλές μορφές με εντελώς διαφορετικές ιδιότητες. Οι επιστήμονες γνωρίζουν ορισμένες από αυτές τις μορφές εδώ και δεκαετίες, αλλά μέχρι τώρα κανείς δεν είχε μελετήσει τη συγκεκριμένη διαμόρφωση στην οποία επικεντρώθηκαν ο Hu και οι συνάδελφοί του, όπου τα άτομα του υλικού είναι διατεταγμένα σε ένα συνεχές, εξαιρετικά οργανωμένο κρυσταλλικό πλέγμα. Σε αυτή τη δομή, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι τόσο τα ηλεκτρόνια όσο και τα κβάντα δονητικής ενέργειας που ονομάζονται φωνόνια, τα οποία μεταφέρουν θερμότητα και ήχο, συναντούσαν λιγότερη αντίσταση σε σύγκριση με τα συμβατικά μέταλλα, επιτρέποντάς τους να άγουν καλύτερα τη θερμότητα.

Το υλικό αποκάλυψε επίσης μια προηγουμένως ανεξερεύνητη στρατηγική για την ενίσχυση της αγωγιμότητας θερμότητας στα μέταλλα. Στα συνηθισμένα μέταλλα, τα φωνόνια διαταράσσονται συχνά από συγκρούσεις μεταξύ τους, καθώς και με ηλεκτρόνια, μειώνοντας την ικανότητά τους να διαχέουν την θερμότητα. Στην μορφή νιτριδίου του τανταλίου που μελέτησαν ο Hu και οι συνάδελφοί του, η ατομική δομή του κρυσταλλικού πλέγματος επιτρέπει στα φωνόνια να ταξιδεύουν ασυνήθιστα μεγάλες αποστάσεις με ελάχιστες παρεμβολές. Αυτή η ανακάλυψη δίνει μια νέα κατεύθυνση για τους επιστήμονες που σχεδιάζουν θερμικά υλικά επόμενης γενιάς, λέει ο Hu.

Τα ευρήματα της μελέτης «είναι εξαιρετικά και εννοιολογικά σημαντικά», λέει η Xiaojia Wang, μηχανολόγος μηχανικός στο Πανεπιστήμιο της Μινεσότα, η οποία δεν συμμετείχε στην έρευνα. Η ομάδα επαλήθευσε αυστηρά τις μετρήσεις της, γεγονός που υποδηλώνει ότι είναι αξιόπιστες, προσθέτει η ίδια, και αν το υλικό μπορεί να παραχθεί σε κλίμακα, θα μπορούσε να έχει «ουσιαστικό αντίκτυπο» στη θερμική διαχείριση ηλεκτρονικών, κέντρων δεδομένων και ενεργειακών συστημάτων.

Ο Hu προσθέτει ότι το θ-νιτρίδιο του τανταλίου θα μπορούσε να είναι ιδιαίτερα πολύτιμο καθώς η τεχνητή νοημοσύνη αποκτά ακόμη πιο διαδεδομένη χρήση και η απαγωγή θερμότητας γίνεται εμπόδιο στα κέντρα δεδομένων. Για τους επιστήμονες υλικών, η εργασία αυτή θα μπορούσε επίσης να αποτελέσει πηγή έμπνευσης προκειμένου να αμφισβητήσουν και άλλους μακροχρόνιους περιορισμούς. «Κατανοούμε άραγε πού βρίσκονται τα πραγματικά όρια, ή μήπως τα σύνορα που θεωρούνταν θεμελιώδη εδώ και δεκαετίες απλώς αντικατοπτρίζουν τα σημερινά μας εργαλεία και το επίπεδο κατανόησής μας;» αναρωτιέται ο Hu. «Τώρα που το ρεκόρ για την αγωγιμότητα της θερμότητας έχει καταρριφθεί, μας κάνει να αναθεωρήσουμε το αν θα μπορούσαν να σπάσουν και άλλα υποτιθέμενα όρια στη φυσική των υλικών».

διαβάστε περισσότερα: Super heat conductor challenges fundamental physics – https://www.scientificamerican.com/article/new-metal-with-triple-coppers-heat-conduction-challenges-fundamental-physics/

Κατηγορίες:ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ, ΦΥΣΙΚΗ

Ετικέτες: PHYSICS