العلماء من جامعة هيوستن اكتشفوا مادة يمكن أن تغير كل ما نعرفه عن التوصيل الحراري. وتبين أن زرنيخيد البورون قادر على توصيل الحرارة بشكل أفضل من الماس، الذي كان يعتبر المعيار لعقود من الزمن. ونشرت نتائج الدراسة في المجلة المواد اليوم.

سجل للكريستال

وقال البروفيسور زيفنغ رين: “نحن واثقون من دقة قياساتنا، وهذا يدل على أن النظرية الحالية بحاجة إلى توضيح”.

وأضاف أن النماذج السابقة تنبأت بقيمة أقل لأنها لم تأخذ في الاعتبار كافة مميزات الكريستال.. في السابق، كان يُعتقد أن القيود المفروضة على التوصيل الحراري لزرنيخيد البورون كانت مرتبطة بالاهتزازات الداخلية للذرات، وهو ما يسمى “التشتت رباعي الفونونات”. أدت هذه التأثيرات باستمرار إلى خفض أداء المادة في التجارب.

افترض فريق رين أن الشوائب الموجودة في البلورات تمنعهم من الوصول إلى إمكاناتهم الكاملة. وبعد تنقية الزرنيخيد الأصلي وتحسين طرق التصنيع، تمكن العلماء من الحصول على بلورات نقية بشكل استثنائي. تجاوزت النتيجة كل التوقعات النظرية.

وأكد البروفيسور مجددًا أن “قياساتنا تظهر أن المادة الحقيقية قادرة على القيام بأكثر مما تنبأت به النظرية”.

في المختبر، قام الباحثون بقياس التوصيل الحراري لأنقى بلورات زرنيخيد البورون ووجدوا أكثر من 2100 واط/م ك في درجة حرارة الغرفة، وهي أعلى من أي قيمة معروفة للماس. للمقارنة، فإن التوصيل الحراري لأفضل أنواع الألماس يبلغ عادةً حوالي 2000 واط/م ك.

لماذا هذا الاكتشاف مهم؟

الموصلية الحرارية هي عامل رئيسي للتقنيات الحديثة. تسخن أي شريحة أو معالج أثناء التشغيل. إذا تم تبديد الحرارة بشكل سيئ، فإن المكونات ترتفع درجة حرارتها، وتفقد الكفاءة، وتفشل بشكل أسرع. يفتح سجل زرنيخيد البورون الجديد إمكانية إنشاء أجهزة أسرع وأكثر متانة.

ويشير رين إلى أن “هذا يسمح للإلكترونيات بالبقاء باردة حتى في ظل الأحمال العالية”.

زرنيخيد البورون فريد من نوعه لأنه يجمع بين خصائص الموصل الحراري المتميز وأشباه الموصلات. عادة ما تكون هذه الخصائص نادرة للغاية. وهذا يجعله بديلا واعدا للسيليكون، الذي تقوم عليه الرقائق الحديثة.. يعد دمج زرنيخيد البورون في الرقائق أسهل من دمجه في الماس، وله فجوة نطاقية أوسع وحركة عالية للإلكترونات والثقوب (جسيم فعال يشير إلى عدم وجود إلكترون في نطاق التكافؤ في البلورة) – وهي خصائص مهمة للدوائر الإلكترونية عالية الأداء.

إمكانات التقنيات المستقبلية

ويمكن استخدام هذه المادة في الحوسبة عالية الأداء، وأنظمة الذكاء الاصطناعي، وإلكترونيات الطاقة، حيث يحد ارتفاع درجة الحرارة من قدرات المعدات. يتوافق معامل التمدد الحراري لزرنيخيد البورون أيضًا بشكل جيد مع الدوائر الدقيقة الحديثة، مما يسهل تطبيقه العملي.

إن المقارنة مع الماس مثيرة للاهتمام بشكل خاص لأنه لعقود من الزمن كان يعتبر أفضل مادة متناحية، أي مادة لها نفس الخصائص في جميع الاتجاهات. وقد حاول العديد من المهندسين إيجاد البدائل، ولكن دون جدوى. في السابق، كانت النماذج تأخذ في الاعتبار الظروف المثالية فقط، دون الأخذ في الاعتبار أن الشوائب والعيوب يمكن أن تؤثر بشكل كبير على النتائج. وقد أثبت النهج الجديد المتمثل في التنقية وتقنيات التوليف المحسنة أنه يمكن إطلاق الإمكانات الكاملة للمادة.