Conductor de calor récord: nitruro de tantalio podría revolucionar refrigeración de chips

En colaboración con grupos de China y EE. UU., un equipo de TU Wien buscó el conductor de calor óptimo. Lo encontraron en una forma muy específica de nitruro de tantalio —ningún otro material metálico conocido tiene mayor conductividad térmica. Para identificar este material récord, primero analizaron qué procesos intervienen en la conducción de calor en tales materiales a nivel atómico.

Mecanismos de conducción térmica

"Básicamente, hay dos mecanismos por los que el calor se propaga en un material", explicó el Profesor Georg Madsen del Instituto de Química de Materiales de TU Wien. "Primero, a través de electrones que viajan por el material llevando energía. Este es el mecanismo principal en buenos conductores eléctricos. Segundo, a través de fonones, que son vibraciones colectivas de la red en el material. Los átomos se mueven, haciendo que otros átomos vibren. A temperaturas más altas, la conducción por propagación de estas vibraciones suele ser el efecto decisivo."

Pero ni electrones ni vibraciones de red pueden propagarse sin obstáculos. Hay procesos que frenan esta propagación de energía térmica. Electrones y vibraciones de red pueden interactuar, dispersarse, ser detenidos por irregularidades. En algunos casos, la conducción puede limitarse drásticamente porque diferentes isótopos de un elemento están en el material: los átomos no tienen exactamente la misma masa, afectando el comportamiento vibracional colectivo.

"Algunos de estos efectos pueden suprimirse —pero usualmente no todos a la vez", dijo Madsen. "Es como el juego del topo: resuelves un problema y a la vez surge otro en otro lado."

El nitruro de tantalio fase θ hexagonal

Los metales típicamente tienen conductividad térmica mediocre. El metal con mayor conductividad conocida es la plata —solo una fracción de la del material récord: diamante. Pero los diamantes son caros y difíciles de procesar.

Con análisis teóricos elaborados y simulaciones computacionales, el equipo identificó un material adecuado: la fase θ hexagonal de nitruro de tantalio. El tantalio es particularmente favorable porque casi no tiene isótopos distintos. Casi el 99.99% del tantalio natural es el isótopo tantalio-181; otras variantes apenas ocurren.

"La combinación con nitrógeno y la geometría atómica especial hacen la fase metálica, y suprimen interacciones de vibraciones transportadoras de calor con otras vibraciones y con electrones conductores. Son exactamente esas interacciones las que inhiben la conducción en otros materiales", dijo Madsen. "Estas interacciones no son posibles en este material porque violarían la ley de conservación de energía."

Por tanto, esta forma de nitruro de tantalio combina varias ventajas importantes, siendo un material récord con conductividad térmica varias veces superior a la plata y comparable al diamante. Según Madsen, el nitruro de tantalio es altamente prometedor para la industria de chips. "Los chips son más pequeños y potentes, así que conducir calor es un problema cada vez mayor. Ningún otro material resuelve esto mejor que la fase θ de nitruro de tantalio", afirmó.