Los Ángeles. Un equipo internacional de investigación, liderado por la Universidad de California, Los Ángeles (UCLA), ha desarrollado un nuevo material metálico basado en nitruro de tantalio que establece un récord en la conducción del calor. Este nuevo material supera en rendimiento a metales convencionales como el cobre o la plata, y podría mejorar significativamente la refrigeración de componentes electrónicos de alto rendimiento.
La importancia de la conducción térmica en la tecnología aumenta a medida que los componentes electrónicos se miniaturizan. Mientras que los metales tradicionales, como el cobre, conducen el calor principalmente a través del movimiento de electrones libres, el nitruro de tantalio lo hace de manera diferente. Este material aprovecha más el transporte a través de fonones, que son las vibraciones de la red cristalina.
El equipo de investigación, dirigido por Yongjie Hu, combinó modelos teóricos de la mecánica cuántica con experimentos a alta presión para crear una estructura cristalina específica de nitruro de tantalio. Este proceso redujo la dispersión de las ondas de la red cristalina, mejorando considerablemente la conductividad térmica. El rendimiento medido supera en tres veces a las mejores conexiones de tantalio existentes y alcanza valores que normalmente solo se observan en materiales no metálicos costosos como el diamante o el nitruro de boro.
Antecedentes físicos de la conducción del calor
En los metales, la conducción del calor se produce tradicionalmente a través de electrones libres. Los fonones suelen desempeñar un papel menor, ya que su movimiento se ve frenado por la interacción con los electrones. Mediante un control isotópico específico y un ajuste preciso de la estructura cristalina, este mecanismo de frenado se ha reducido. Esto permite que las ondas de la red cristalina fluyan casi sin obstáculos, mejorando la conductividad térmica.
Propiedades del nuevo material
El nitruro de tantalio recientemente desarrollado combina una alta conductividad térmica con las típicas propiedades robustas de los metales. Es menos frágil y, por lo tanto, más práctico en la fabricación industrial que los materiales cerámicos o muy costosos. Esto hace que el material sea particularmente interesante para la industria de los semiconductores, donde una disipación de calor eficiente es esencial en chips cada vez más pequeños.
“Este trabajo muestra una vía para desplazar los límites térmicos de los materiales mediante la comprensión del acoplamiento entre electrones y fonones”, afirmó Yongjie Hu de la UCLA.
Desarrollo y perspectivas futuras
Los investigadores ven un gran potencial en el descubrimiento de este nuevo metal récord, especialmente en la refrigeración de microchips, optoelectrónica y sistemas de baterías innovadores, como los utilizados en vehículos eléctricos. Sin embargo, aún son necesarias optimizaciones en la síntesis para una producción industrial a gran escala. No obstante, se ha establecido una base científica para una disipación de calor más eficiente en las tecnologías futuras.
La investigación y el desarrollo de materiales eficientes como el nitruro de tantalio están ganando importancia en Alemania y en todo el mundo. Para obtener más información sobre el estado actual de la investigación y las aplicaciones en el campo de la conducción del calor, puede consultar páginas especializadas como regionalupdate.de y el sitio web de la University of California, Los Angeles.
Próximos pasos
El equipo planea refinar aún más los métodos de fabricación del nitruro de tantalio para permitir una producción a mayor escala. La implementación en componentes funcionales de la microelectrónica es el foco de la próxima fase de investigación. Además, se investigará la integración del material en las tecnologías de semiconductores existentes para aumentar la eficiencia de los dispositivos electrónicos a largo plazo.
