Науковці зробили відкриття, що перевертає усталені уявлення про теплопровідність. Матеріал, який ще донедавна вважався перспективним, але не досконалим, — бор-арсенід (BAs) — виявився здатним проводити тепло навіть краще, ніж алмаз, що десятиліттями вважався еталоном серед усіх відомих речовин.
Команда дослідників з Університету Г’юстона продемонструвала, що високоякісні кристали бор-арсеніду здатні досягати теплопровідності понад 2100 Вт/м·К при кімнатній температурі. Це не просто рекорд — це відкриття, що може змінити уявлення про керування теплом у сучасній електроніці.
Результати дослідження, опубліковані 10 жовтня у журналі Materials Today, не лише ставлять під сумнів існуючі теоретичні моделі, а й відкривають шлях до створення нових поколінь напівпровідникових матеріалів для смартфонів, суперкомп’ютерів і дата-центрів.
Керівник дослідження, професор фізики Чжифен Рен з Техаського центру надпровідності, підкреслює:
«Ми впевнені у своїх вимірюваннях. Якщо експеримент суперечить теорії — значить, теорію потрібно переглянути».
Кристал, що зруйнував межі можливого
Ідея про те, що бор-арсенід може зрівнятися з алмазом за теплопровідністю, з’явилася ще десять років тому. У 2013 році фізик Девід Бройдо з Бостонського коледжу передбачив, що BAs має потенціал перевершити найкращі природні матеріали. Однак подальші моделі, які враховували складні процеси розсіювання теплових коливань (так звані «чотирифононні» моделі), знизили прогнозовану теплопровідність до приблизно 1360 Вт/м·К — і більшість науковців втратили інтерес до цієї сполуки.
Рен і його колеги не погодилися з таким висновком. Вони припустили, що низькі показники попередніх експериментів могли бути спричинені дефектами в матеріалі. Використовуючи надчисті реагенти та вдосконалені методи синтезу, команда отримала майже бездоганні кристали бор-арсеніду. І результати виявилися приголомшливими: BAs перевершив алмаз.
Матеріал, який може змінити індустрію
Алмаз залишається символом міцності та досконалості, але з практичного боку він дорогий і складний у виробництві. Бор-арсенід натомість — дешевший, стабільніший і має властивості, які роблять його унікальним для технологічних застосувань.
Він поєднує високу теплопровідність, широку заборонену зону (що робить його чудовим напівпровідником), високу рухливість носіїв заряду та відмінне узгодження коефіцієнтів теплового розширення. Усе це робить BAs ідеальним кандидатом для електронних пристроїв, яким потрібно швидко відводити тепло — від смартфонів і лазерів до мікрочипів і сонячних панелей.
«Цей новий матеріал — справжнє диво», — зазначає Рен. — «Він має властивості чудового напівпровідника і водночас є найкращим теплопровідником. Такого поєднання ще не бачили».
Крок до нового покоління технологій
Дослідження виконувалося у співпраці з Університетом Каліфорнії в Санта-Барбарі, Бостонським коледжем та іншими партнерами. Проєкт фінансується Національним науковим фондом США (NSF) та має підтримку від промислових компаній, включно з Qorvo.
Попереду — подальше вдосконалення синтезу кристалів і уточнення теоретичних моделей. Рен запрошує науковців переглянути уявлення про теплопровідність:
«Не варто дозволяти теорії обмежувати відкриття. Саме тому ми знайшли щось, що перевершує очікування».
Можливо, невдовзі саме бор-арсенід стане серцем нових енергоефективних технологій — матеріалом, який дозволить електроніці працювати швидше, охолоджуватись ефективніше й витрачати менше енергії.
І хоча алмаз досі блищить у ювелірних вітринах, у світі науки його місце як найкращого теплопровідника вже зайняв новий — і справді «дивовижний» — суперматеріал.
