Record di conduzione del calore con nitruro di tantalio

31 marzo 2021

dall'Università della Tecnologia di Vienna

Una bottiglia thermos ha il compito di preservare la temperatura, ma a volte si vuole ottenere il contrario: i chip del computer generano calore che deve essere dissipato il più rapidamente possibile affinché il chip non venga distrutto. Ciò richiede materiali speciali con proprietà di conduzione del calore particolarmente buone.

In collaborazione con gruppi provenienti dalla Cina e dagli Stati Uniti, un gruppo di ricerca della TU Wien ha quindi cercato di trovare il conduttore di calore ottimale. Alla fine hanno trovato quello che stavano cercando in una forma molto specifica di nitruro di tantalio: nessun altro materiale metallico conosciuto ha una conduttività termica più elevata. Per poter identificare questo materiale da record, hanno dovuto prima analizzare quali processi svolgono un ruolo nella conduzione del calore in tali materiali a livello atomico. I risultati sono stati ora pubblicati sulla rivista scientifica Physical Review Letters.

"Fondamentalmente ci sono due meccanismi attraverso i quali il calore si propaga in un materiale", spiega il prof. Georg Madsen dell'Istituto di chimica dei materiali della TU Vienna. "In primo luogo, attraverso gli elettroni che viaggiano attraverso il materiale, portando con sé energia. Questo è il meccanismo principale nei buoni conduttori elettrici. E in secondo luogo attraverso i fononi, che sono vibrazioni reticolari collettive nel materiale." Gli atomi si muovono, facendo oscillare gli altri atomi. A temperature più elevate l'effetto decisivo è solitamente la conduzione del calore attraverso la propagazione di queste vibrazioni.

Ma né gli elettroni né le vibrazioni del reticolo possono propagarsi completamente senza ostacoli attraverso il materiale. Esistono vari processi che rallentano questa propagazione dell'energia termica. Gli elettroni e le vibrazioni reticolari possono interagire tra loro, possono disperdersi, possono essere arrestati da irregolarità nel materiale.

In alcuni casi, la conduzione del calore può addirittura essere drasticamente limitata dal fatto che nel materiale sono presenti diversi isotopi di un elemento, cioè atomi simili con un diverso numero di neutroni. In tal caso, gli atomi non hanno esattamente la stessa massa e ciò influisce sul comportamento vibrazionale collettivo degli atomi nel materiale.

"Alcuni di questi effetti possono essere soppressi, ma di solito non tutti allo stesso tempo", afferma Georg Madsen. "È come giocare a Whack-A-Mole: risolvi un problema e allo stesso tempo ne sorge uno nuovo da qualche altra parte."

Nonostante la nostra esperienza quotidiana di bruciarci le mani su una piastra metallica calda, i metalli hanno in genere una conduttività termica mediocre. Il metallo con la più alta conduttività termica conosciuta è l'argento, con solo una frazione della conduttività del diamante, il materiale che detiene il record. Ma i diamanti sono costosi e molto difficili da lavorare.

Con elaborate analisi teoriche e simulazioni al computer, il team è finalmente riuscito a identificare un materiale adatto: la fase θ esagonale del nitruro di tantalio. Il tantalio è particolarmente favorevole perché non ci sono quasi isotopi diversi. Quasi il 99,99% del tantalio presente in natura è l'isotopo tantalio 181, difficilmente si trovano altre varianti.

"La combinazione con l'azoto e la speciale geometria della scala atomica rendono la fase metallica e sopprimono le interazioni delle vibrazioni che trasportano il calore con altre vibrazioni e con gli elettroni conduttori. Sono proprio queste interazioni che inibiscono la conduzione del calore in altri materiali", afferma Georg Madsen. "Queste interazioni non sono possibili in questo materiale perché violerebbero la legge di conservazione dell'energia."

Pertanto, questa forma di nitruro di tantalio combina diversi importanti vantaggi, rendendolo un materiale da record con una conduttività termica molte volte superiore a quella dell’argento e paragonabile al diamante.

"Per l'industria dei chip, il nitruro di tantalio è un materiale molto promettente", è convinto Madsen. "I chip stanno diventando sempre più piccoli e più potenti, quindi la conduzione del calore sta diventando un problema sempre più grande. Nessun altro materiale risolve questo problema meglio del nitruro di tantalio in fase θ."