Registro de condução de calor com nitreto de tântalo

31 de março de 2021

pela Universidade de Tecnologia de Viena

Uma garrafa térmica tem a função de preservar a temperatura – mas às vezes você quer fazer o contrário: chips de computador geram calor que deve ser dissipado o mais rápido possível para que o chip não seja destruído. Isso requer materiais especiais com propriedades de condução de calor particularmente boas.

Em colaboração com grupos da China e dos Estados Unidos, uma equipe de pesquisa da TU Wien decidiu encontrar o condutor de calor ideal. Eles finalmente encontraram o que procuravam em uma forma muito específica de nitreto de tântalo – nenhum outro material metálico conhecido tem uma condutividade térmica mais alta. Para poder identificar esse material recorde, eles primeiro tiveram que analisar quais processos desempenham um papel na condução de calor nesses materiais em nível atômico. Os resultados foram publicados na revista científica Physical Review Letters.

"Basicamente, existem dois mecanismos pelos quais o calor se propaga em um material", explica o Prof. Georg Madsen, do Instituto de Química de Materiais da TU Wien. "Em primeiro lugar, através dos elétrons que viajam pelo material, levando energia com eles. Esse é o principal mecanismo dos bons condutores elétricos. E em segundo lugar, através dos fônons, que são vibrações coletivas da rede no material." Os átomos se movem, fazendo com que outros átomos oscilem. Em temperaturas mais altas, a condução de calor através da propagação dessas vibrações costuma ser o efeito decisivo.

Mas nem os elétrons nem as vibrações da rede podem se propagar completamente sem impedimentos através do material. Existem vários processos que retardam essa propagação da energia térmica. Os elétrons e as vibrações da rede podem interagir uns com os outros, podem se espalhar, podem ser interrompidos por irregularidades no material.

Em alguns casos, a condução de calor pode até ser dramaticamente limitada pelo fato de que diferentes isótopos de um elemento são incorporados ao material – ou seja, átomos semelhantes com números diferentes de nêutrons. Nesse caso, os átomos não têm exatamente a mesma massa, e isso afeta o comportamento vibracional coletivo dos átomos no material.

"Alguns desses efeitos podem ser suprimidos, mas geralmente não todos ao mesmo tempo", diz Georg Madsen. "É como jogar Whack-A-Mole: você resolve um problema e, ao mesmo tempo, surge um novo em outro lugar."

Apesar de nossa experiência diária de queimar as mãos em uma placa de metal quente, os metais normalmente têm uma condutividade térmica medíocre. O metal com a maior condutividade térmica conhecida é a prata - com apenas uma fração da condutividade do diamante, material que detém o recorde. Mas os diamantes são caros e muito difíceis de processar.

Com análises teóricas elaboradas e simulações de computador, a equipe finalmente conseguiu identificar um material adequado: a fase θ hexagonal do nitreto de tântalo. O tântalo é particularmente favorável porque quase não existem isótopos diferentes. Quase 99,99% do tântalo natural é o isótopo tântalo 181, outras variantes dificilmente ocorrem.

"A combinação com nitrogênio e a geometria de escala atômica especial torna a fase metálica e suprime as interações das vibrações portadoras de calor com outras vibrações e com os elétrons condutores. São exatamente essas interações que inibem a condução de calor em outros materiais", diz Georg Madsen. "Essas interações não são possíveis neste material porque violariam a lei da conservação de energia."

Portanto, esta forma de nitreto de tântalo combina várias vantagens importantes, tornando-se um material recorde com uma condutividade térmica várias vezes superior à da prata e comparável ao diamante.

"Para a indústria de chips, o nitreto de tântalo é um material altamente promissor", acredita Madsen. "Os chips estão ficando menores e mais poderosos, então a condução de calor está se tornando um problema cada vez maior. Nenhum outro material resolve esse problema melhor do que o nitreto de tântalo de fase θ."