Учёные из Университета Хьюстона совершили крупный научный прорыв, обнаружив материал, который проводит тепло лучше, чем алмаз. Речь идёт об арсениде бора (BAs), чья теплопроводность бросает вызов долгое время незыблемому статусу алмаза как эталона среди изотропных материалов. Это открытие, опубликованное в журнале Materials Today, может кардинально изменить понимание процессов распространения тепла в твёрдых телах и перевернуть существующие теоретические модели.
Исследователям удалось создать исключительно чистые кристаллы арсенида бора, чья теплопроводность при комнатной температуре превысила 2100 ватт на метр на кельвин. Этот показатель потенциально выше, чем у алмаза. Ключом к успеху стала беспрецедентная чистота материала, которая позволила раскрыть его истинный потенциал, ранее скрытый дефектами в образцах. Как заявил руководитель работы профессор Чжифэн Жэнь, полученные данные верны, а значит, теорию необходимо исправлять. В частности, это касается моделей, описывающих рассеяние фононов — квазичастиц, представляющих кванты колебаний атомов в кристаллической решётке и являющихся основными переносчиками тепла в таких материалах. Рассеяние фононов на дефектах, границах зёрен или других фононах уменьшает их среднюю длину свободного пробега и снижает теплопроводность, поэтому достижение высокой чистоты кристаллов было критически важным.
Уникальность арсенида бора заключается в том, что он сочетает в себе свойства отличного полупроводника и выдающегося теплопроводника. Это делает его идеальным кандидатом для применения в электронике нового поколения, где критически важно эффективно отводить тепло, — от мощных процессоров и смартфонов до оборудования дата-центров. В отличие от алмаза, BAs также проще и дешевле производить, что открывает путь к его коммерческому использованию. Традиционно для отвода тепла в электронике использовались такие материалы, как медь с высокой теплопроводностью, но значительной плотностью и склонностью к окислению, более лёгкий и дешёвый алюминий с более низкой теплопроводностью, а также изолирующие, но хрупкие керамики вроде оксида алюминия. Их ограничения — недостаточная теплопроводность для высокомощных устройств, механическая хрупкость, высокая стоимость или сложность обработки — делают открытие арсенида бора особенно значимым.
Открытие стало результатом многолетней работы и сотрудничества учёных из Университета Хьюстона, Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и Бостонского колледжа. Ещё в 2013 году была выдвинута гипотеза о возможности превзойти алмаз, но последующие теоретические модели, учитывающие сложное рассеяние фононов, заставили многих учёных отказаться от этой идеи. Команда профессора Жэня предположила, что проблема была не в материале, а в примесях, и сосредоточилась на совершенствовании методов синтеза.
Исследование, частично поддержанное грантом Национального научного фонда США, продолжается. Учёные планируют further улучшать методы получения арсенида бора, чтобы повысить его характеристики. Профессор Жэнь призывает научное сообщество не позволять существующим теориям сдерживать открытия, подчёркивая, что именно так и произошло в этой работе. Это достижение не только устанавливает новый рекорд, но и указывает путь к поиску ещё более эффективных материалов для технологий будущего.
Источник: Scientists just found a material that beats diamond at its own game