Инженеры UCLA открыли самый теплопроводный металл в истории измерений

Инженеры Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе совместно с коллегами обнаружили металлическое соединение с теплопроводностью почти в три раза выше, чем у меди и серебра – эталонов, державшихся более века. Исследование под руководством Йонджи Ху из Инженерной школы Самуэли UCLA идентифицировало металлическую тета-фазу нитрида тантала (TaN₍θ₎) как самый быстрый теплопроводник среди металлов, когда-либо измеренных.

Материал демонстрирует теплопроводность около 1100 ватт на метр-кельвин, устанавливая новый рекорд в физике теплопереноса. Для сравнения, медь – наиболее широко используемый коммерческий теплопроводник – показывает около 400 Вт/(м·К), а серебро достигает аналогичных значений в идеальных условиях. Появление нового материала может позитивно сказаться на техноиндустрии, учитывая нынешний ИИ-рынок, где компаниям требуются самые современные решения для охлаждения гигантских датацентров.

Медные радиаторы составляют примерно треть мирового рынка управления теплом, но их эффективность достигла технологического потолка. По мере роста вычислительных нагрузок и энергетической плотности охлаждение превратилось в определяющее ограничение как для проектирования оборудования, так и для энергоэффективности. Открытие может повлиять на дизайн материалов для высокопроизводительной электроники, аэрокосмических систем и даже квантовых девайсов, требующих практически идеальной термической стабильности.

Исследовательская группа Ху обнаружила, что тета-фазный вариант нитрида тантала ведет себя иначе, чем обычные металлы, на атомном уровне. Структура материала располагает атомы тантала и азота в гексагональной решетке, создавая необычно слабые взаимодействия между электронами и колебаниями решетки, известными как фононы. Столкновения электронов с фононами и фононов между собой обычно ограничивают способность металла проводить тепло, но сниженные взаимодействия в тета-фазном TaN₍θ₎ позволяют тепловой энергии перемещаться с минимальным сопротивлением.

Экспериментальные данные подтвердили, что соединение проводит тепло с беспрецедентной эффективностью. Результаты показывают, что металлическая теплопроводность может превосходить традиционные теоретические пределы – вывод, способный изменить подход к проектированию материалов для критических применений.

Сейчас главный вопрос в том – получится ли начать выпуск новых систем охлаждения достаточно быстро и эффективно.