Starptautiska komanda, kuru vada Kalifornijas Universitāte Losandželosā, ir identificējusi metāla materiālu ar visaugstāko siltuma vadītspēju, kāda jebkad ir mērīta šajā kategorijā, un šis atklājums atkal ir izraisījis diskusijas par fizikālajām robežām siltuma pārvadīšanai metālos. Žurnālā Science publicētajā pētījumā aprakstīts, kā tantala nitrīda teta fāze spēj izkliedēt siltumu ar ātrumu, kas līdz šim šķita pieejams tikai eksotiskajiem materiāliem vai modernajiem pusvadītājiem.
Materiālu revolūcija mikroshēmām: jaunais tantala nitrīds vada siltumu gandrīz trīs reizes labāk nekā varš
Siltuma vadītspēja ir materiāla spēja pārvadīt siltumu no viena punkta uz otru. Reālajā dzīvē tas nozīmē kaut ko ļoti konkrētu: cik daudz mikroshēma var “elpot”, pirms pārkaršana liek tai samazināt veiktspēju vai pat izslēgties. Šodien varš joprojām ir siltuma izkliedētāju karalis ar vērtībām ap 400 W/m·K un veido aptuveni 30 % no globālā siltuma vadības materiālu tirgus elektronikas un rūpniecības sistēmās.
Jaunais materiāls ir negaidīts lēciens. Mērījumi liecina, ka tantalija nitrīds teta fāzē ir apmēram 1100 W/m·K, kas ir gandrīz trīs reizes efektīvāk nekā varš vai sudrabs. Šis skaitlis ne tikai pārspēj rekordus, bet arī maina diskusijas par to, kā tiks projektētas nākotnes elektroniskās sistēmas.
“Mākslīgā intelekta tehnoloģijas virza tradicionālos metālus līdz to siltuma robežai,” skaidro Yongjie Hu, UCLA mehāniskās un kosmosa inženierijas profesors. Un viņš nerunā abstrakti. Lielie AI modeļi, grafiskie paātrinātāji un augstas veiktspējas serveri arvien vairāk koncentrē jaudu arvien mazākās telpās. Tas nozīmē lielāku siltumu uz kvadrātcentimetru un pieaugošu enerģijas rēķinu, lai visu uzturētu drošās robežās.
Vairāk nekā gadsimtu materiālu fizika pieņēma, ka elektronu un fononu mijiedarbība — atomu struktūras vibrācijas — metālos veido grūti pārvaramu robežu. UCLA komanda atrada plaisu šajā robežvērtībā. Materiāla atomārā struktūra, kur tantala atomi ir sakārtoti sešstūra formā ar starpā ievietotu slāpekli, šķiet, ievērojami vājinot iekšējo siltuma berzi. Vienkāršāk sakot: siltums plūst bez tik daudzām “sadursmēm” ceļā.
Lai to pierādītu, pētnieki apvienoja rentgenstaru dispersiju sinhronizatorā un ultrātrūkstošo optisko spektroskopiju, kas ir metodes, kas ļauj novērot, kā siltuma enerģija pārvietojas laika skalā, kas ir tikai piksekundes. Viņi novēroja pārsteidzoši tīru, gandrīz elegantu siltuma pārnesi. Bez parastā trokšņa, ko rada elektronu un atomu mijiedarbība, kas bremzē citus metālus.
Sekvence, kas parāda, kā siltuma enerģija, ko pārvada elektroni, izplatās tantala nitrīdā teta fāzē pēc tam, kad metāla materiāls tiek sasniegts ar gaismas impulsu, kas ilgst no 0,1 līdz 10 pikosekundēm.
Šis sasniegums nepaliek laboratorijās. Siltuma pārvaldība ir viens no lielākajiem šķēršļiem digitālajā pārejā. Piemēram, datu centri jau patērē apmēram 1–2 % no pasaules elektroenerģijas, un ievērojama daļa no tās tiek iztērēta tikai dzesēšanai. Kosmosa rūpniecībā augstas blīvuma elektroniskās sistēmas cīnās ar ekstremālām temperatūrām, nepieļaujot kļūdas. Pat jaunās kvantu platformas ar to delikāto siltuma līdzsvaru varētu gūt labumu no materiāliem, kas vadītu siltumu ar ķirurģisku precizitāti.
Hu nav jauns šajā jomā. 2018. gadā viņa grupa pārsteidza pasauli ar eksperimentālu atklājumu — boroarsenīdu, pusvadītāju ar izcilām termiskām īpašībām. Kopš tā laika viņi ir strādājuši pie uzlabotām termiskām saskarnēm un šo materiālu integrēšanas gallija nitrīda ierīcēs, pavērtot ceļu uz jaudīgākiem mikroshēmu čipiem, kas ir mazāk atkarīgi no apjomīgiem dzesēšanas sistēmām.
Projekts ir starptautiska sadarbība, kurā piedalās Argonne National Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory, Tohoku University Japānā un UC Irvine Materials Research Institute, ar ASV Enerģētikas departamenta un National Science Foundation atbalstu. Šis centiens atspoguļo arvien izplatītāku tendenci materiālu zinātnē: lielie sasniegumi rodas no tīkliem, nevis no izolētiem laboratorijām.
Potenciāls
Šāda veida materiāli paver interesantas iespējas: jaudīgāka elektronika, nepalielinot ar dzesēšanu saistīto enerģijas patēriņu. Praktiskā izteiksmē tas varētu ļaut izveidot kompaktiākus datu centrus ar mazāku fizisko un enerģētisko ietekmi, kas ir ļoti svarīgi pilsētām, kuras vēlas samazināt savu ietekmi uz vidi.
Vidējā termiņā šo metālu integrācija elektrisko transportlīdzekļu, atjaunojamo energoresursu sistēmu un jaudīgās elektronikas jomā varētu uzlabot invertoru un kontrolieru uzticamību, kas parasti bojājas termiskā stresa dēļ. Mazāk bojājumu nozīmē ilgāku kalpošanas laiku. Un ilgāks kalpošanas laiks nozīmē mazāk elektronisko atkritumu.
Protams, tas nav brīnumlīdzeklis. Taču tas ir vēl viens gabaliņš sarežģītajā puzlē, kas apvieno progresīvus materiālus, energoefektivitāti un atbildīgu dizainu. Atgādinājums, ka dažkārt ekoloģiskā pāreja nozīmē ne tikai tīras enerģijas ražošanu, bet arī labāku jau saražotās siltuma pārvaldību. Un tieši šajā gandrīz nemanāmajā detaļā slēpjas klusa daļa no ilgtspējīgas nākotnes.
