Pesquisadores da Universidade de Houston descobriram que cristais de arseneto de boro de alta pureza conduzem calor melhor que o diamante, alcançando mais de 2.100 watts por metro por Kelvin à temperatura ambiente. Esse avanço desafia teorias existentes e promete avanços na eletrônica. Os achados foram publicados em Materials Today.
Os cientistas há muito consideram o diamante como o condutor térmico isotrópico definitivo, mas um novo estudo liderado pela Universidade de Houston revela que o arseneto de boro (BAs) pode superá-lo em condições ideais. A pesquisa, conduzida pelo Texas Center for Superconductivity na Universidade de Houston em colaboração com a Universidade da Califórnia, Santa Bárbara, e o Boston College, demonstra que cristais de BAs excepcionalmente puros alcançam condutividade térmica acima de 2.100 W/mK à temperatura ambiente—potencialmente excedendo o desempenho do diamante.
A jornada começou há mais de uma década. Em 2013, o físico David Broido do Boston College previu que o BAs poderia igualar ou superar o diamante na condução de calor. No entanto, modelos teóricos de 2017 que incorporavam espalhamento de quatro fônons reduziram as expectativas para cerca de 1.360 W/mK, levando muitos a descartar o potencial do material. Experimentos iniciais renderam apenas cerca de 1.300 W/mK devido a impurezas nos cristais.
Zhifeng Ren, professor de física na Universidade de Houston e autor correspondente do estudo, suspeitou que defeitos, não limitações inerentes, eram o problema. Ao refinar arsênico bruto e melhorar métodos de síntese, sua equipe produziu cristais mais limpos que quebraram recordes anteriores. "Confiamos em nossa medição; nossos dados estão corretos e isso significa que a teoria precisa de correção", disse Ren. "Não estou dizendo que a teoria está errada, mas um ajuste precisa ser feito para ser consistente com os dados experimentais."
Essa descoberta destaca o papel crítico da pureza do material no desempenho térmico e poderia transformar a tecnologia de semicondutores. Ao contrário do diamante, que requer condições extremas para ser produzido, o BAs oferece fabricação mais fácil e econômica, combinando dissipação de calor superior com fortes propriedades semicondutoras, incluindo alta mobilidade de portadores e uma banda de energia ampla. "Esse novo material é tão maravilhoso", acrescentou Ren. "Ele tem as melhores propriedades de um bom semicondutor e um bom condutor térmico—todos os tipos de boas propriedades em um único material. Isso nunca aconteceu em outros materiais semicondutores."
O trabalho faz parte de um projeto de 2,8 milhões de dólares da National Science Foundation liderado por Bolin Liao na UC Santa Bárbara, envolvendo a Universidade de Houston, a Universidade de Notre Dame e a UC Irvine, com apoio do parceiro industrial Qorvo. Os pesquisadores planejam refinar ainda mais o BAs para empurrar os limites ainda mais. Como Ren observou, "Você não deve deixar uma teoria impedir você de descobrir algo ainda maior, e isso aconteceu exatamente neste trabalho." O estudo desafia os cientistas a revisitar modelos e explorar materiais subestimados para aplicações em smartphones, eletrônicos de alta potência e centros de dados.