بورون آرسنید رکورد جهانی رسانایی حرارتی را از الماس ربود؛ ماده‌ای انقلابی در راه است

دانشمندان موفق به ساخت بلورهای فوق‌خالص بورون آرسنید (BAs) شده‌اند که با شکستن رکورد جهانی رسانایی حرارتی، جایگاه الماس را به چالش کشیده‌اند. این دستاورد مهم نه تنها باورهای دیرینه در فیزیک مواد را متحول می‌کند، بلکه راه را برای نسل جدیدی از دستگاه‌های الکترونیکی با عملکرد حرارتی بی‌نظیر هموار می‌سازد؛ از تلفن‌های هوشمند آینده گرفته تا ابررایانه‌ها و مراکز داده.

شکسته شدن باورهای دیرینه در مورد رسانایی حرارتی بورون آرسنید

پژوهشگران دانشگاه هوستون با همکاری دانشگاه کالیفرنیا سانتا باربارا و کالج بوستون، گامی بلند در علم مواد برداشتند. مطالعات اخیر آن‌ها نشان می‌دهد که بورون آرسنید در بالاترین سطوح خلوص، می‌تواند به رسانایی حرارتی خیره‌کننده بیش از ۲۱۰۰ وات بر متر بر کلوین (W/mK) در دمای اتاق دست یابد. این رقم نه تنها به طور چشمگیری از داده‌های تجربی پیشین فراتر می‌رود، بلکه احتمالاً رکورد سالیان الماس را نیز در زمینه رسانایی حرارتی برای مواد ایزوتروپیک پشت سر می‌گذارد. این کشف که در نشریه معتبر Materials Today به چاپ رسیده است، مدل‌های نظری رایج در زمینه انتقال حرارت در مواد جامد را به چالش می‌کشد و نیاز به بازنگری اساسی در این حوزه را مطرح می‌کند. اهمیت این پیشرفت از آن روست که مدیریت حرارتی کارآمد، یکی از بزرگترین چالش‌های طراحی و ساخت دستگاه‌های الکترونیکی مدرن است. گرمای بیش از حد می‌تواند عملکرد و طول عمر قطعات را به شدت کاهش دهد.

از پیش‌بینی‌های نظری تا دستیابی به خلوص بی‌سابقه بورون آرسنید

مسیر کشف پتانسیل واقعی بورون آرسنید (BAs) مسیری پرفراز و نشیب بوده است. در سال ۲۰۱۳، مدل‌های نظری برای نخستین بار پیش‌بینی کردند که بورون آرسنید ممکن است قادر به هدایت حرارت با کارایی برابر یا حتی بیشتر از الماس باشد. اما بازبینی این مدل‌ها در سال ۲۰۱۷ و در نظر گرفتن پدیده «پراکنش چهار-فونونی»، پیش‌بینی رسانایی حرارتی بورون آرسنید را به حدود ۱۳۶۰ وات بر متر بر کلوین کاهش داد. این تغییر باعث دلسردی بسیاری از پژوهشگران و کنار گذاشتن تحقیقات بیشتر در این زمینه شد.

با این حال، تیم پروفسور ژیفنگ رن معتقد بود که مشکل اصلی، نقص‌ها و ناخالصی‌های موجود در نمونه‌های بورون آرسنید پیشین بوده است که باعث می‌شدند این ماده تنها به رسانایی حدود ۱۳۰۰ وات بر متر بر کلوین دست یابد. آن‌ها با تصفیه دقیق آرسنیک و بهبود قابل توجه روش‌های سنتز، بلورهایی از بورون آرسنید تولید کردند که عیوب ساختاری بسیار کمتری داشتند. این پیشرفت در خالص‌سازی مواد بود که امکان دستیابی به رسانایی حرارتی بی‌سابقه را فراهم آورد و توانایی‌های شگفت‌انگیز این ماده را آشکار ساخت.

چرا بورون آرسنید برای آینده فناوری حیاتی است؟

بورون آرسنید (BAs) با ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود، به گزینه‌ای بی‌بدیل برای تحول در صنایع مختلف تبدیل شده است. این ماده فراتر از یک رکوردشکن در رسانایی حرارتی، ترکیبی از خواص را ارائه می‌دهد که آن را به یک رقیب جدی برای سیلیکون در نسل آینده نیمه‌رساناها تبدیل می‌کند:

تولید ساده‌تر و ارزان‌تر: برخلاف الماس که نیازمند فشار و دمای فوق‌العاده برای سنتز است، بورون آرسنید را می‌توان با روش‌های ساده‌تر و هزینه‌ای کمتر تولید کرد.

عملکرد دوگانه بی‌نظیر: این ماده به‌طور هم‌زمان دارای رسانایی حرارتی فوق‌بالا و خواص نیمه‌رسانایی مناسب است. پروفسور رن تاکید می‌کند: "این ماده واقعا فوق‌العاده است؛ بهترین ویژگی‌های یک نیمه‌رسانا و یک رسانای حرارتی عالی را با هم دارد؛ چیزی که در دیگر مواد نیمه‌رسانا دیده نشده بود."

برتری نسبت به سیلیکون: بورون آرسنید به دلیل تحرک بالای حامل‌های بار، گاف نواری گسترده (که امکان کار در دماها و ولتاژهای بالاتر را فراهم می‌کند) و ضریب انبساط حرارتی مناسب، پتانسیل عملکردی بهتری نسبت به سیلیکون دارد.

این ویژگی‌ها بورون آرسنید را به نامزدی ایده‌آل برای مدیریت حرارت پیشرفته در دستگاه‌های الکترونیکی پرمصرف مانند پردازنده‌های قدرتمند، لیزرهای پرتوان و ادوات تبدیل انرژی تبدیل می‌کند.

چشم‌انداز آینده و تاثیر بورون آرسنید بر فیزیک مواد

تیم تحقیقاتی متعهد به ادامه کار بر روی بورون آرسنید است و قصد دارد روش‌های تولید را بیش از پیش بهبود بخشد تا به عملکردی حتی بالاتر دست یابد. این پروژه بخشی از یک برنامه ۲.۸ میلیون دلاری از سوی بنیاد ملی علوم آمریکا است که همکاری‌های گسترده‌ای میان دانشگاه‌های هوستون، کالیفرنیا، نوتردام، و UC Irvine را شامل می‌شود و همچنین از مشارکت صنعتی شرکت Qorvo بهره می‌برد.

پروفسور رن با اشاره به اهمیت این کشف، بر لزوم بازنگری در نظریه‌های موجود فیزیک مواد تاکید می‌کند: "نباید بگذارید نظریه مانع کشف چیزهای بزرگ‌تر شود و دقیقا همین اتفاق در این پژوهش افتاد." این جمله نشان می‌دهد که پیشرفت‌های تجربی می‌تواند چارچوب‌های فکری گذشته را به چالش کشیده و افق‌های جدیدی را در درک ما از جهان فیزیکی بگشاید. کشف بورون آرسنید نه تنها یک گام بزرگ در مهندسی مواد است، بلکه یادآوری قدرتمندی برای جامعه علمی است که برای نوآوری‌های حقیقی، جسارت به چالش کشیدن مفروضات پذیرفته‌شده ضروری است. این دستاورد می‌تواند نقطه عطفی در توسعه مواد فوق‌رسانا و آینده مدیریت حرارت در فناوری باشد.

پایگاه خبری مجتمع نوآوری فرداد

مطالب مرتبط

ماهان زند

من فارغ‌التحصیل رشته مهندسی کامپیوتر هستم و از دوران نوجوانی به دنیای فناوری علاقه‌مند بودم. فعالیت حرفه‌ای خودم را از سال ۱۳۹۷ با نوشتن مقاله‌های نقد و بررسی گجت‌های هوشمند در یک وبلاگ شخصی آغاز کردم. پس از کسب تجربه، به عنوان نویسنده و تحلیل‌گر در نشریات مختلف فعالیت کردم و در حال حاضر، به عنوان دبیر بخش فناوری‌های نو در یک مجله معتبر تکنولوژی مشغول به کار هستم. تلاش من این است که آخرین اخبار و پیشرفت‌های دنیای فناوری را به زبانی ساده و کاربردی برای مخاطبان ارائه دهم.