Учени от САЩ откриха най-топлопроводимата в историята сплав

В продължение на повече от век медта и среброто определяха стандарта за топлопроводимост на металите. Ново изследване на инженери от Калифорнийския университет и техни сътрудници оспорва това предположение, като представи метално съединение, което провежда топлината почти три пъти по-ефективно от двата еталона.

Изследването определя металния тета-фазов танталов нитрид (TaN₍θ₎) като най-бързо провеждащия топлината метал, изследван досега. Екипът, ръководен от Йонгджие Ху (Yongjie Hu) от Училището по инженерни науки „Самуели“ на Калифорнийския университет, съобщава, че материалът показва топлопроводимост от приблизително 1100 вата на метър-келвин - поставяйки нов рекорд във физиката на преноса на топлина. За сравнение, медта, най-широко използваният в търговската мрежа топлопроводник, има показатели от около 400 W/mK, докато среброто достига подобни нива при идеални условия.

Този скок в производителността идва в критичен момент, тъй като мощните процесори, графичните ускорители и чиповете за изкуствен интелект са изправени пред все по-големи предизвикателства по отношение разсейването на топлината. Стандартните за индустрията медни радиатори съставляват около една трета от световния пазар на термален мениджмънт, но техният таван на ефективност се превърна в технологична пречка. Тъй като работните натоварвания и енергийната плътност на компютрите продължават да се увеличават, охлаждането се превърна в определящо ограничение както за дизайна на хардуера, така и за енергийната ефективност.

Изследователската група на Ху открива, че тета-фазовият вариант на танталовия нитрид се държи по-различно от обикновените метали в атомен мащаб. Неговата структура организира атомите на тантала и азота в хексагонална решетка, като създава необичайно слаби взаимодействия между електроните и вибрациите на решетката, известни като фонони.

Тъй като сблъсъците електрон - фонон и фонон - фонон обикновено ограничават способността на метала да провежда топлина, намалените взаимодействия в тета-фазата на TaN₍θ₎ позволяват на топлинната енергия да се движи с минимално съпротивление.

Експерименталните данни са получени с помощта на модерно синхротронно рентгеново разсейване и ултрабърза оптична спектроскопия, което потвърждава, че съединението отвежда топлината с безпрецедентна ефективност.

Откритията показват, че металната топлопроводимост може да надхвърли традиционните теоретични граници - резултат, който може да повлияе на проектирането на нови материали за високопроизводителната електроника, аерокосмическите системи и дори квантовите устройства, които изискват почти перфектна топлинна стабилност.

Значението на тези резултати надхвърля рамките на теоретичната физика. Тъй като чиповете за ускоряване на изкуствения интелект увеличават плътността на мощността до нови екстремни стойности, а глобалното търсене на изчислителна техника натоварва физическите граници на медта, материали като тета-фазовия танталов нитрид биха могли да осигурят по-компактни и по-хладни архитектури. Ху описва съединението като потенциално „фундаментално нова и по-добра алтернатива“ за следващото поколение топлинно регулиране.