Investigadores de la Universidad de Houston han descubierto que los cristales de arseniuro de boro de alta pureza conducen el calor mejor que el diamante, alcanzando más de 2.100 vatios por metro por kelvin a temperatura ambiente. Este avance desafía las teorías existentes y promete progresos en la electrónica. Los hallazgos se publicaron en Materials Today.
Los científicos han considerado durante mucho tiempo al diamante como el conductor térmico isotrópico definitivo, pero un nuevo estudio dirigido por la Universidad de Houston revela que el arseniuro de boro (BAs) puede superarlo en condiciones ideales. La investigación, realizada por el Centro de Superconductividad de Texas en la Universidad de Houston en colaboración con la Universidad de California, Santa Bárbara, y el Boston College, demuestra que cristales de BAs excepcionalmente puros logran una conductividad térmica superior a 2.100 W/mK a temperatura ambiente, potencialmente superando el rendimiento del diamante.
El viaje comenzó hace más de una década. En 2013, el físico David Broido del Boston College predijo que el BAs podría igualar o superar al diamante en la conducción de calor. Sin embargo, los modelos teóricos de 2017 que incorporaban dispersión de cuatro fonones redujeron las expectativas a alrededor de 1.360 W/mK, lo que llevó a muchos a descartar el potencial del material. Los experimentos iniciales solo obtuvieron alrededor de 1.300 W/mK debido a impurezas en los cristales.
Zhifeng Ren, profesor de física en la Universidad de Houston y autor correspondiente del estudio, sospechó que los defectos, no las limitaciones inherentes, eran el problema. Al refinar el arsénico crudo y mejorar los métodos de síntesis, su equipo produjo cristales más limpios que rompieron récords anteriores. "Confiamos en nuestra medición; nuestros datos son correctos y eso significa que la teoría necesita corrección", dijo Ren. "No estoy diciendo que la teoría esté equivocada, pero se necesita un ajuste para que sea consistente con los datos experimentales."
Este descubrimiento resalta el papel crítico de la pureza del material en el rendimiento térmico y podría transformar la tecnología de semiconductores. A diferencia del diamante, que requiere condiciones extremas para producirse, el BAs ofrece una fabricación más fácil y rentable mientras combina una disipación de calor superior con fuertes propiedades semiconductores, incluyendo alta movilidad de portadores y una banda prohibida amplia. "Este nuevo material es tan maravilloso", agregó Ren. "Tiene las mejores propiedades de un buen semiconductor y un buen conductor térmico: todo tipo de buenas propiedades en un solo material. Eso nunca ha sucedido en otros materiales semiconductores."
El trabajo forma parte de un proyecto de la National Science Foundation de 2,8 millones de dólares dirigido por Bolin Liao en UC Santa Bárbara, que involucra a la Universidad de Houston, la Universidad de Notre Dame y UC Irvine, con apoyo del socio industrial Qorvo. Los investigadores planean refinar aún más el BAs para empujar los límites incluso más. Como señaló Ren, "No deberías dejar que una teoría te impida descubrir algo aún más grande, y eso es exactamente lo que sucedió en este trabajo." El estudio desafía a los científicos a revisar modelos y explorar materiales subestimados para aplicaciones en smartphones, electrónica de alta potencia y centros de datos.