Pesquisadores da Universidade de Houston alcançaram um marco científico significativo no estudo da transferência de calor. Novas descobertas desafiam suposições de longa data sobre condutividade térmica e revelam que o arseneto de boro (BAs) pode conduzir calor de maneira mais eficaz do que o diamante, que há muito é considerado o padrão entre os materiais isotrópicos.
A equipe de pesquisa descobriu que, quando os cristais de BAs são produzidos com pureza excepcional, podem alcançar valores de condutividade térmica superiores a 2.100 watts por metro por Kelvin (W/mK) em temperatura ambiente – possivelmente superando o próprio diamante.
Publicada na Materials Today, o estudo desafia modelos teóricos existentes e pode reformular a maneira como os cientistas pensam sobre o movimento do calor através de materiais sólidos. Os resultados também apontam para uma nova opção promissora de semicondutor para dispositivos que exigem gerenciamento térmico avançado, incluindo smartphones, eletrônicos de alta potência e centros de dados.
“Confiamos em nossa medida; nossos dados estão corretos e isso significa que a teoria precisa de correção,” disse Zhifeng Ren, autor correspondente e professor de física na Faculdade de Ciências Naturais e Matemáticas da UH. “Não estou dizendo que a teoria está errada, mas uma ajuste precisa ser feito para ser consistente com os dados experimentais.”
Superando Limites Estabelecidos
A descoberta surgiu de uma colaboração entre o Centro Texas de Supercondutividade da Universidade de Houston (dirigido por Ren), a Universidade da Califórnia, Santa Barbara, e o Boston College.
Por mais de uma década, o arseneto de boro tem intrigado cientistas. Em 2013, o físico do Boston College e coautor do estudo David Broido e colegas previram que o BAs poderia teoricamente conduzir calor tão eficientemente – ou até melhor – que o diamante. No entanto, modelos revisados em 2017 adicionaram um fator complexo conhecido como dispersão de quatro fônons, que reduziu a performance prevista para cerca de 1.360 W/mK. Isso fez com que muitos no campo abandonassem a ideia de que o BAs poderia exceder a condutividade do diamante.
A equipe de Ren, no entanto, suspeitava que o problema não estava na capacidade intrínseca do material, mas nas impurezas dentro dele. Amostras experimentais anteriores continham defeitos que limitavam o desempenho a cerca de 1.300 W/mK, bem abaixo das condições ideais usadas nas previsões teóricas.
Cristais Mais Puros, Resultados Quebrando Recordes
Ao refinar o arsênio bruto e desenvolver métodos de síntese aprimorados, a equipe liderada pela UH criou cristais de arseneto de boro com significativamente menos imperfeições. Quando testadas, essas amostras de alta pureza demonstraram uma notável condutividade térmica acima de 2.100 W/mK – superando não apenas resultados experimentais anteriores, mas também o teto teórico.
Essa conquista confirma que a pureza do material desempenha um papel decisivo no desempenho da transferência de calor e abre caminho para materiais com maior eficiência na condução de calor.
Por Que a Descoberta É Importante
As implicações dessa descoberta vão muito além de medições laboratoriais. O arseneto de boro tem o potencial de revolucionar a tecnologia eletrônica e de semicondutores ao fornecer um material que dissipa calor de forma eficaz e atua como um semicondutor de alta qualidade.
Suas vantagens incluem:
- Fabricação mais fácil e econômica em comparação ao diamante, sem necessidade de temperaturas ou pressões extremas.
- Condutividade térmica excepcional combinada com comportamento eficiente de semicondutor.
- Desempenho eletrônico potencialmente superior ao do silício devido à sua alta mobilidade de portadores, larga banda proibida e coeficiente de expansão térmica bem ajustado.
“Este novo material é maravilhoso,” disse Ren. “Ele possui as melhores propriedades de um bom semicondutor e um bom condutor térmico – todas as boas propriedades em um só material. Isso nunca aconteceu em outros materiais semicondutores.”
Olhando Para o Futuro: Expandindo os Limites da Física
Embora esta descoberta marque uma nova fronteira, o trabalho continua. Pesquisadores do Centro Texas de Supercondutividade planejam continuar aprimorando seus métodos, visando melhorar ainda mais o desempenho do arseneto de boro.
O estudo faz parte de um projeto de US$ 2,8 milhões da National Science Foundation, liderado por Bolin Liao na UC Santa Barbara, com contribuições da Universidade de Houston, da Universidade de Notre Dame e da UC Irvine. A pesquisa também recebe suporte parcial do parceiro industrial Qorvo.
Ren incentiva os cientistas a revisitar modelos existentes e desafiar suposições teóricas que podem ter subestimado materiais como o BAs.
“Você não deve deixar uma teoria impedir que você descubra algo ainda maior, e isso exatamente aconteceu neste trabalho,” disse Ren.
