Nitrid tantalu vo fáze théta (θ-TaN) má ultravysokú tepelnú vodivosť 1 100 W/mK. V najbližších rokoch by mohol nahradiť meď či striebro, ktoré v súčasných aplikáciách siahajú na hranice svojich možností.
Kovový materiál s oveľa väčšou vodivosťou ako meď by mohol umožniť počítačom a hardvéru umelej inteligencie fungovať oveľa efektívnejšie. Na obrázku je snímka z elektrónového mikroskopu (vľavo) a snímka z röntgenovej difrakcie (vpravo) monokryštálu nitridu tantalu vo fáze théta. Zdroj: Yongjie Hu/UCLA
Leteckým inžinierom z Kalifornskej univerzity v Los Angeles (UCLA) sa podarilo objaviť nový materiál, ktorý mení doterajšie predstavy o tom, ako efektívne môžu kovy viesť teplo. Výskum publikovaný v prestížnom časopise Science ukazuje, že špeciálna forma nitridu tantalu vo fáze théta dokáže prenášať teplo výrazne efektívnejšie než doteraz najlepšie známe kovy.
Tepelná vodivosť alebo, presnejšie povedané, koeficient tepelnej vodivosti (pozor na zámenu s koeficientom teplotnej vodivosti) patrí medzi kľúčové vlastnosti materiálov najmä v oblasti elektroniky. Čím lepšie materiál odvádza teplo, tým efektívnejšie môžu fungovať napríklad procesory, batérie či výkonné dátové centrá. Doteraz sa za zlatý štandard považovala meď, no nový objav túto predstavu výrazne narúša.
Materiál prekonávajúci limity
Nový materiál dosahuje tepelnú vodivosť približne 1 100 wattov na meter na kelvin, čo je takmer trojnásobok hodnoty medi pri izbovej teplote (401 W/mK). Ide o prekvapujúci výsledok, pretože fyzici dlhodobo predpokladali, že existuje prirodzený limit, ktorý už nie je možné prekročiť.
Tento limit vychádza zo správania elektrónov v kovoch. Práve elektróny totiž prenášajú nielen elektrický prúd, ale aj teplo. Podľa doterajších modelov mali byť ich možnosti transportu energie obmedzené vnútornou štruktúrou materiálu. Nový výskum však ukazuje, že vhodná kombinácia kryštálovej štruktúry a kvantových efektov môže tieto limity prekonať.
Fáza θ-TaN je jedna z fáz precipitácie, zrážania tohto materiálu, ktorá má špecifickú štruktúru. Vedci už pred niekoľkými rokmi predpovedali, že tento materiál bude tepelne supervodivý. V novom experimente potvrdili, že materiál má unikátne vlastnosti, ktoré umožňujú elektrónom pohybovať sa efektívnejšie než v bežných kovoch. Pomocou metód, ako je rozptyl röntgenového žiarenia a ultrarýchla optická spektroskopia, zistili, že v tomto materiáli sa vyskytujú nezvyčajne slabé interakcie medzi elektrónmi a fonónmi (kvázičasticami šíriacimi vibračné kvantum v kryštálovej mriežke). To umožňuje veľmi efektívne prúdenie tepla s oveľa nižším odporom než v spomínanej medi alebo striebre.
Dôležitú úlohu zohráva aj rozdiel hmotností atómov tantalu a dusíka, ktorý vytvára energetickú medzeru medzi vibračnými módmi. Táto medzera potláča rozptyl tepla a umožňuje jeho efektívnejší prenos.
Šírenie tepelnej energie v nitride tantalu vo fáze théta (od 0,1 do 10 pikosekúnd) zobrazenej ultrarýchlou optickou spektroskopiou. Zdroj H-Lab/UCLA
Kvantová fyzika v praxi
Za výnimočnými vlastnosťami materiálu stojí jeho špecifická štruktúra elektrónov. Vedci pod vedením profesora Yongjie Hua zistili, že v tomto materiáli sa elektróny správajú odlišne než v klasických kovoch – ich pohyb je menej rozptyľovaný, čo znamená, že dokážu prenášať energiu s menšími stratami.
Jav súvisí s kvantovými efektmi, ktoré sa prejavujú na úrovni atómov. Práve tie umožňujú vznik nových typov materiálov s vlastnosťami, ktoré by ešte pred niekoľkými desaťročiami pôsobili ako nemožné. Objav tak zapadá do širšieho trendu modernej fyziky, ktorá čoraz viac využíva kvantové princípy na návrh materiálov s presne definovanými vlastnosťami.
Praktické dôsledky objavu môžu byť zásadné. Jedným z najväčších problémov dnešných technológií je prehrievanie. Výkonné procesory, grafické karty či dátové centrá produkujú obrovské množstvo tepla, ktoré je potrebné efektívne odvádzať. Materiály s vysokou tepelnou vodivosťou by tak mohli výrazne zlepšiť chladenie elektroniky. To by umožnilo zvyšovať výkon zariadení bez rizika prehriatia a zároveň znížiť energetickú náročnosť chladenia.
Okrem toho by sa takýto materiál mohol uplatniť aj v energetike, napríklad pri efektívnejšom prenose tepla v priemyselných procesoch alebo pri vývoji nových typov batérií.
Chladiče (heat sinks), ktoré sú zvyčajne vyrobené z medi, pomáhajú odvádzať teplo z procesorov, čo umožňuje ich efektívnu prevádzku. Zdroj: iStock/Shamil
Základ pre budúce inovácie
Objav θ-TaN naznačuje, že hranice materiálovej fyziky zďaleka nie sú pevne dané. Naopak, moderné experimenty ukazujú, že kombináciou teórie a pokročilých výrobných technológií možno objavovať materiály s úplne novými vlastnosťami.
Pozrite si
Vedci teraz budú skúmať, ako tento materiál využiť v praxi a či je možné jeho vlastnosti ešte zlepšiť. Zároveň sa otvára otázka, či existujú aj ďalšie materiály, ktoré by mohli dosahovať podobné alebo ešte lepšie parametre. Nové štúdie skúmajúce napríklad nanofluidy, keramické materiály či dvojrozmerné štruktúry by mohli ekvivalentne zlepšiť prenos tepla v energetike či elektronike.
Ak sa tieto výsledky potvrdia aj v širšom meradle, môžeme byť svedkami významného posunu v oblasti elektroniky, energetiky aj priemyslu. Zároveň sa ukazuje, že dôležitá nie je iba samotná hodnota tepelnej vodivosti, ale aj jej stabilita pri rôznych podmienkach, napríklad pri vysokých teplotách alebo tlakoch. Aj tieto faktory budú rozhodovať o tom, či sa nové materiály uplatnia v praxi.
Ako fungujú materiály s vysokou tepelnou vodivosťou? Zdroj: Youtube/MIT MechE Lectures & Colloquia
Neprekonateľný kráľ vo vedení tepla
Popri nových inovatívnych materiáloch, ako je θ-TaN, vedci intenzívne skúmajú aj známe látky v nových súvislostiach. Jedným z najzaujímavejších príkladov je diamant, ktorý si už desaťročia drží prvenstvo medzi najlepšími vodičmi tepla v prírode.
Štúdia publikovaná v časopise Nature Materials ukázala, že synteticky pripravené ultračisté diamanty môžu dosahovať tepelnú vodivosť až okolo 2 000 W/mK – teda výrazne viac než meď a dokonca aj viac než väčšina nových experimentálnych materiálov. Kľúčom k tomuto výkonu je extrémne pravidelná kryštálová štruktúra a minimálny počet nečistôt.
V ideálnom diamante sa fonóny šíria veľmi efektívne, pretože atómy uhlíka sú usporiadané v mimoriadne pevnej a symetrickej štruktúre. Vedci zistili, že aj malé množstvo nečistôt alebo izotopových rozdielov môže výrazne znížiť tepelnú vodivosť. Preto sa moderný výskum zameriava na výrobu takmer dokonale čistých diamantov, kde sú tieto rušivé faktory minimalizované.
Zaujímavé je, že manipuláciou s izotopovým zložením uhlíka možno tepelnú vodivosť ešte zvýšiť. Ide o jemné zlepšovanie materiálu na kvantovej úrovni, ktoré umožňuje optimalizovať prenos energie.
Napriek výnimočným vlastnostiam má diamant jednu zásadnú nevýhodu – je drahý a technologicky náročný na výrobu vo veľkých objemoch. Aj keď dnes existujú metódy syntetickej výroby, ich škálovanie na priemyselné použitie je stále obmedzené. Okrem toho diamant nevedie elektrinu, čo môže byť v niektorých aplikáciách nevýhodou. V elektronike je totiž často potrebné kombinovať tepelnú aj elektrickú vodivosť. Práve preto sa vedci snažia nájsť materiály, ktoré by kombinovali výhody oboch svetov – vysokú tepelnú vodivosť ako diamant a elektrickú vodivosť ako kovy. A opäť sa dostávame späť k materiálom typu θ-TaN.
Porovnanie diamantov a θ-TaN je pre vedcov mimoriadne cenné. Zatiaľ čo diamant ukazuje, čo je možné dosiahnuť v ideálnych podmienkach, nové materiály dokazujú, že podobné vlastnosti možno dosiahnuť aj v praktickejších systémoch. Rozdiel je najmä v mechanizme prenosu tepla. Kým diamant využíva fonóny, θ-TaN kombinuje prenos tepla cez elektróny aj vibrácie mriežky. To otvára nové možnosti pre návrh materiálov na mieru. Najnovšie štúdie naznačujú, že budúcnosť patrí hybridným materiálom, ktoré dokážu optimalizovať oba mechanizmy naraz. Takéto materiály by mohli zásadne zmeniť spôsob, ako riešime chladenie v moderných technológiách od smartfónov až po superpočítače.
Zdroje: UCLA, Science, RSC Advances, Rare Metals, Physical Chemistry Chemical Physics
(RR)
