Рекорд теплопроводности с нитридом тантала

Задача термоса — сохранить температуру, но иногда нужно добиться обратного: компьютерные выделяют тепло, которое необходимо отводить как можно быстрее, чтобы микросхема не разрушилась. Для этого требуются специальные с особенно хорошими свойствами теплопроводности.


Поэтому в сотрудничестве с группами из Китая и исследовательская группа из TU Wien решила найти оптимальный проводник тепла. Наконец они нашли то, что искали, в очень специфической форме нитрида тантала — ни один другой известный металлический материал не имеет более высокой теплопроводности. Чтобы идентифицировать этот рекордный материал, они сначала должны были проанализировать, какие процессы играют роль в теплопроводности таких материалов на атомарном уровне. Результаты опубликованы в научном журнале. Письма с физическими проверками.

и колебания решетки

«По сути, существует два механизма распространения тепла в материале», — объясняет профессор Георг Мадсен из Института химии материалов в Венском техническом университете. «Во-первых, через электроны, которые проходят через материал, забирая с собой энергию. Это основной механизм в хороших электрических проводниках. И, во-вторых, через фононы, которые представляют собой коллективные колебания решетки в материале». Атомы движутся, заставляя другие атомы колебаться. При более высоких температурах решающим эффектом обычно является теплопроводность за счет распространения этих колебаний.

Но ни электроны, ни колебания решетки не могут беспрепятственно распространяться через материал. Существуют различные процессы, замедляющие распространение тепловой энергии. Электроны и колебания решетки могут взаимодействовать друг с другом, они могут рассеиваться, их могут остановить неровности в материале.

В некоторых случаях теплопроводность может быть даже резко ограничена из-за того, что в материал встроены разные изотопы элемента, то есть похожие атомы с разным числом нейтронов. В этом случае атомы не имеют точно одинаковой массы, и это влияет на коллективное колебательное атомов в материале.

«Некоторые из этих эффектов можно подавить, но обычно не все одновременно», — говорит Георг Мадсен. «Это похоже на игру в Whack-A-Mole: вы решаете одну проблему, и в то же время новая возникает где-то в другом месте».

Нитрид тантала, универсал

Несмотря на то, что мы каждый день обжигаем руки о раскаленную металлическую пластину, металлы обычно имеют посредственную теплопроводность. Металлом с наивысшей известной теплопроводностью является серебро — лишь часть проводимости алмазного материала, являющегося рекордсменом. Но бриллианты дорогие, и их очень сложно обрабатывать.

0 Комментарий
Inline Feedbacks
View all comments