Un nuevo material supera al diamante en conductividad térmica

Investigadores de la Universidad de Houston lograron un hito científico en el estudio de la transferencia de calor al demostrar que el arsenuro de boro (BAs) puede conducir el calor de manera más efectiva que el diamante, material que había sido considerado el estándar en conductividad térmica.

El equipo de investigación encontró que los cristales de BAs, producidos con una pureza excepcional, alcanzaron valores de conductividad térmica superiores a 2100 watts por metro por Kelvin (W/mK) a temperatura ambiente, superando incluso al diamante.

Los resultados, publicados en la revista Materials Today, desafían los modelos teóricos existentes y podrían cambiar la forma en que los científicos entienden el movimiento del calor a través de materiales sólidos. Además, apuntan a una nueva opción prometedora de semiconductor para dispositivos que requieren una gestión térmica avanzada, como teléfonos inteligentes, electrónica de alta potencia y centros de datos.

"Confiamos en nuestra medición; nuestros datos son correctos y eso significa que la teoría necesita corrección", afirmó Zhifeng Ren, autor correspondiente y profesor de física en la College of Natural Sciences and Mathematics de la UH. "No estoy diciendo que la teoría esté equivocada, pero se necesita un ajuste para ser consistente con los datos experimentales".

Rompiendo límites establecidos

El descubrimiento surgió de una colaboración entre el Texas Center for Superconductivity de la Universidad de Houston, la Universidad de California, Santa Bárbara, y el Boston College.

Desde hace más de una década, el arsenuro 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 el BAs podría conducir el calor tan eficientemente, o incluso mejor, que el diamante. Sin embargo, modelos revisados en 2017 introdujeron un factor complejo conocido como dispersión de cuatro fonones, que redujo el rendimiento previsto a alrededor de 1360 W/mK, lo que llevó a muchos en el campo a abandonar la idea de que el BAs pudiera superar la conductividad del diamante.

El grupo de Ren, sin embargo, sospechó que el problema no era la capacidad intrínseca del material, sino las impurezas dentro de él. Muestras experimentales anteriores contenían defectos que limitaban el rendimiento a aproximadamente 1300 W/mK, muy por debajo de las condiciones ideales utilizadas en las predicciones teóricas.

Cristales más limpios, resultados récord

Al refinar el arsénico crudo y desarrollar métodos de síntesis mejorados, el equipo liderado por la UH creó cristales de arsenuro de boro con significativamente menos imperfecciones. Cuando se probaron, estas muestras de alta pureza demostraron una conductividad térmica notablemente superior a 2100 W/mK, superando no solo los resultados experimentales anteriores, sino también el límite teórico mismo.

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 aún más eficientes en conducción térmica.

Importancia del descubrimiento

Las implicaciones de este avance van mucho más allá de las mediciones de laboratorio. El arsenuro 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.

Entre sus ventajas se encuentran:

Fabricación más fácil y económica en comparación con el diamante, sin necesidad de temperaturas o presiones extremas.

Conductividad térmica excepcional combinada con un comportamiento semiconductor eficiente.

Rendimiento electrónico potencialmente superior al del silicio debido a su alta movilidad de portadores, amplio bandgap y coeficiente de expansión térmica bien ajustado.

"Este nuevo material es maravilloso", dijo Ren. "Posee las mejores propiedades de un buen semiconductor y un buen conductor térmico, todas las propiedades positivas en un solo material. Eso nunca había sucedido en otros materiales semiconductores".

Mirando hacia el futuro: ampliando los límites de la física

Aunque este descubrimiento marca una nueva frontera, el trabajo continúa. Los investigadores del Texas Center for Superconductivity planean seguir refinando sus métodos, con el objetivo de mejorar aún más el rendimiento del arsenuro de boro.

El estudio forma parte de un proyecto de 2.8 millones de dólares de la National Science Foundation, liderado por Bolin Liao en la UC Santa Barbara, con contribuciones de la Universidad de Houston, la Universidad de Notre Dame y la UC Irvine. La investigación también recibe apoyo parcial de la empresa industrial Qorvo.

Ren anima a los científicos a revisar los modelos existentes y desafiar las suposiciones teóricas que pueden haber subestimado materiales como el BAs. "No se debe permitir que una teoría impida el descubrimiento de algo aún más grande, y esto es exactamente lo que ocurrió en este trabajo", concluyó.

Temas