07.04.2021 - Technische Universität Wien

Registro de conducción de calor con nitruro de tántalo

"Para la industria de los chips, el nitruro de tantalio es un material muy prometedor"

¿Cómo podemos eliminar el calor de los chips de los ordenadores lo más rápidamente posible? En la Universidad Técnica de Viena se ha identificado un compuesto metálico especialmente adecuado para este fin.

Un termo tiene la misión de conservar la temperatura, pero a veces se quiere conseguir lo contrario: Los chips de ordenador generan un calor que debe disiparse lo más rápidamente posible para que el chip no se destruya. Para ello se necesitan materiales especiales con propiedades de conducción del calor especialmente buenas.

Por eso, en colaboración con grupos de China y Estados Unidos, un equipo de investigación de la Universidad Técnica de Viena se propuso encontrar el conductor de calor óptimo. Finalmente encontraron lo que buscaban en una forma muy específica de nitruro de tantalio: ningún otro material metálico conocido tiene una mayor conductividad térmica. Para poder identificar este material récord, primero tuvieron que analizar qué procesos intervienen en la conducción del calor en estos materiales a nivel atómico. Los resultados se han publicado ahora en la revista científica "Physical Review Letters".

Electrones y vibraciones de la red

"Básicamente, hay dos mecanismos por los que el calor se propaga en un material", explica el profesor Georg Madsen, del Instituto de Química de Materiales de la Universidad Técnica de Viena. "En primer lugar, a través de los electrones que viajan por el material, llevándose la energía con ellos. Este es el principal mecanismo en los buenos conductores eléctricos. Y en segundo lugar, a través de los fonones, que son vibraciones colectivas de la red del material". Los átomos se mueven, haciendo que otros átomos se tambaleen. A altas temperaturas, la conducción del calor a través de la propagación de estas vibraciones suele ser el efecto decisivo.

Pero ni los electrones ni las vibraciones de la red pueden propagarse completamente sin obstáculos a través del material. Hay varios procesos que ralentizan esta propagación de la energía térmica. Los electrones y las vibraciones de la red pueden interactuar entre sí, pueden dispersarse, pueden ser detenidos por las irregularidades del material.

En algunos casos, la conducción del calor puede incluso verse drásticamente limitada por el hecho de que en el material haya diferentes isótopos de un elemento, es decir, átomos similares con diferente número de neutrones. En ese caso, los átomos no tienen exactamente la misma masa, y esto afecta al comportamiento vibratorio colectivo de los átomos del material.

"Algunos de estos efectos pueden suprimirse, pero normalmente no todos al mismo tiempo", dice Georg Madsen. "Es como jugar al Whack-A-Mole: Resuelves un problema y, al mismo tiempo, surge otro nuevo en otro lugar".

Nitruro de tántalo, el todoterreno

A pesar de nuestra experiencia cotidiana de quemarnos las manos en una placa metálica caliente, los metales suelen tener una conductividad térmica mediocre. El metal con la mayor conductividad térmica conocida es la plata, con sólo una fracción de la conductividad del diamante, material que ostenta el récord. Pero los diamantes son caros y muy difíciles de procesar.

Con elaborados análisis teóricos y simulaciones por ordenador, el equipo consiguió finalmente identificar un material adecuado: La fase θ hexagonal del nitruro de tántalo. El tántalo es especialmente favorable porque apenas existen isótopos diferentes. Casi el 99,99% del tantalio que se encuentra en la naturaleza es el isótopo tantalio 181, apenas se dan otras variantes.

"La combinación con el nitrógeno y la especial geometría a escala atómica hacen que la fase sea metálica, y suprime las interacciones de las vibraciones portadoras de calor con otras vibraciones y con los electrones conductores. Son precisamente esas interacciones las que inhiben la conducción del calor en otros materiales", afirma Georg Madsen. "Esas interacciones no son posibles en este material porque violarían la ley de conservación de la energía".

Por tanto, esta forma de nitruro de tántalo combina varias ventajas importantes, lo que lo convierte en un material que bate récords con una conductividad térmica varias veces superior a la de la plata y comparable a la del diamante.

"Para la industria de los chips, el nitruro de tántalo es un material muy prometedor", está convencido Madsen. "Los chips son cada vez más pequeños y potentes, por lo que la conducción del calor se está convirtiendo en un problema cada vez mayor. Ningún otro material resuelve este problema mejor que el nitruro de tántalo de fase θ".

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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