Il gruppo identifica un metallo con conduttività termica record / Team identifies metal with record thermal conductivity

Il gruppo identifica un metallo con conduttività termica record / Team identifies metal with record thermal conductivity

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Una sequenza che mostra come l'energia termica, trasportata dagli elettroni, si diffonde attraverso il nitruro di tantalio in fase theta dopo che il materiale metallico è stato colpito da un impulso di luce, da 0,1 a 10 picosecondi /  A sequence showing how thermal energy, carried by electrons, spreads through theta-phase tantalum nitride after the metallic material is struck by a pulse of light, from 0.1 to 10 picoseconds

Un gruppo di ricerca guidato dall'UCLA ha identificato un materiale metallico con la più alta conduttività termica mai misurata in un metallo, sfidando i limiti stabiliti sul trasporto del calore nei materiali metallici.

Guidato da Yongjie Hu, il gruppo ha riferito che il nitruro di tantalio metallico in fase theta conduce il calore quasi tre volte più efficacemente del rame o dell'argento, i migliori metalli conduttori di calore convenzionali. Il loro lavoro è descritto in dettaglio su Science.

I materiali ad alta conduttività termica sono essenziali per rimuovere i punti caldi localizzati nei dispositivi elettronici, dove il surriscaldamento limita prestazioni, affidabilità ed efficienza energetica. Il rame attualmente domina il mercato globale dei dissipatori di calore, rappresentando circa il 30% dei materiali commerciali per la gestione termica, con una conduttività termica di circa 400 watt per metro-kelvin (W/mK).

Il gruppo guidato dall'UCLA ha scoperto che il nitruro di tantalio metallico in fase theta, al contrario, ha una conduttività termica estremamente elevata, pari a circa 1.100 W/mK.

"Con il rapido progresso delle tecnologie di intelligenza artificiale, le esigenze di dissipazione del calore stanno spingendo i metalli convenzionali come il rame ai loro limiti prestazionali, e la forte dipendenza globale dal rame nei chip e negli acceleratori di intelligenza artificiale sta diventando una preoccupazione critica", ha affermato Hu, professore di ingegneria meccanica e aerospaziale presso la Samueli School of Engineering dell'UCLA. "La nostra ricerca dimostra che il nitruro di tantalio in fase theta potrebbe rappresentare un'alternativa fondamentalmente nuova e superiore per ottenere una maggiore conduttività termica e potrebbe contribuire a guidare la progettazione di materiali termici di prossima generazione".

Per oltre un secolo, rame e argento hanno rappresentato il limite superiore della conduttività termica tra i metalli. Nei materiali metallici, il calore è trasportato da elettroni liberi e vibrazioni atomiche (fononi). Le forti interazioni tra elettroni e fononi e le interazioni fonone-fonone hanno storicamente limitato l'efficienza del flusso di calore nei metalli.

La modellazione teorica ha suggerito che il nitruro di tantalio in fase theta potrebbe presentare un trasporto di calore insolitamente efficiente grazie alla sua particolare struttura atomica, in cui gli atomi di tantalio sono intervallati da atomi di azoto in uno schema esagonale.

Il gruppo ha confermato le prestazioni del materiale utilizzando diverse tecniche, tra cui la diffusione di raggi X basata su luce di sincrotrone e la spettroscopia ottica ultraveloce. Queste misurazioni hanno rivelato interazioni elettrone-fonone estremamente deboli, consentendo al calore di fluire in modo molto più efficiente rispetto ai metalli convenzionali.

I ricercatori hanno affermato che la scoperta potrebbe avere un impatto su un'ampia gamma di tecnologie sempre più limitate dal calore, tra cui i data center, i sistemi aerospaziali e le emergenti piattaforme quantistiche.

Lo studio ha coinvolto partecipanti provenienti dall'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, dal Lawrence Berkeley National Laboratory, dalla Tohoku University in Giappone e dall'UC Irvine Materials Research Institute.

ENGLISH

A UCLA-led research team has identified a metallic material with the highest thermal conductivity yet measured in a metal, challenging established limits on heat transport in metallic materials.

Led by Yongjie Hu, the team reported that metallic theta-phase tantalum nitride conducts heat nearly three times more efficiently than copper or silver, the best conventional heat-conducting metals. Their work is detailed in Science.

Materials with high thermal conductivity are essential for removing localised hotspots in electronic devices, where overheating limits performance, reliability and energy efficiency. Copper currently dominates the global heat-sink market, accounting for roughly 30 per cent of commercial thermal-management materials, with a thermal conductivity of about 400 watts per metre-kelvin (W/mK).

The UCLA-led team found that metallic theta-phase tantalum nitride, in contrast, has an ultrahigh thermal conductivity of approximately 1,100W/mK.

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“As AI technologies advance rapidly, heat-dissipation demands are pushing conventional metals like copper to their performance limits, and the heavy global reliance on copper in chips and AI accelerators is becoming a critical concern,” said Hu, a professor of mechanical and aerospace engineering at the UCLA Samueli School of Engineering. “Our research shows that theta-phase tantalum nitride could be a fundamentally new and superior alternative for achieving higher thermal conductivity and may help guide the design of next-generation thermal materials.”

For more than a century, copper and silver have represented the upper bound of thermal conductivity among metals. In metallic materials, heat is carried by free-moving electrons and atomic vibrations (phonons). Strong interactions between electrons and phonons and phonon-phonon interactions have historically limited how efficiently heat can flow in metals.

Theoretical modelling suggested that theta-phase tantalum nitride could exhibit unusually efficient heat transport due to its unique atomic structure, in which tantalum atoms are interspersed with nitrogen atoms in a hexagonal pattern.

The team confirmed the material’s performance using multiple techniques, including synchrotron-based X-ray scattering and ultrafast optical spectroscopy. These measurements revealed extremely weak electron–phonon interactions, enabling heat to flow far more efficiently than in conventional metals.

The researchers said their the discovery could impact a wide range of technologies increasingly limited by heat, including data centres, aerospace systems and emerging quantum platforms.

The study involved participants from the US Department of Energy’s Argonne National Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory, Tohoku University in Japan and the UC Irvine Materials Research Institute.

Da:

https://www.theengineer.co.uk/content/news/ucla-identifies-metal-with-record-thermal-conductivity?rcip=giuseppecotellessa%40libero.it&utm_campaign=Daily%20Bulletin%20-%20220126%20-%20Thursday&utm_content=&utm_term=https%3A%2F%2Fwww.theengineer.co.uk%2Fcontent%2Fnews%2Fucla-identifies-metal-with-record-thermal-conductivity&utm_medium=email&utm_source=The%20Engineer