Vědci objevili nový materiál, který překonává diamant v jeho vlastní disciplíně
Datum: 12. listopadu 2025
Zdroj: Univerzita v Houstonu
Souhrn: Boron arsenid sesadil diamant z pozice nejlepšího vodiče tepla díky vylepšené krystalové čistotě a metodám syntézy. Tento objev by mohl transformovat elektroniku nové generace kombinací rekordní tepelnou vodivostí a silnými polovodičovými vlastnostmi.
Výzkumníci na Univerzitě v Houstonu dosáhli významného vědeckého milníku ve studiu přenosu tepla. Nové nálezy zpochybňují dlouholeté předpoklady o tepelné vodivosti a ukazují, že boron arsenid (BAs) dokáže vést teplo efektivněji než diamant, který byl dlouho považován za měřítko mezi izotropními materiály.
Tým výzkumníků zjistil, že když jsou krystaly BAs vyrobeny s výjimečnou čistotou, mohou dosáhnout hodnot tepelné vodivosti přes 2 100 wattů na metr na Kelvin (W/mK) při pokojové teplotě, což možná překonává samotný diamant.
Studie, publikovaná v časopise Materials Today, vyzývá k přepracování stávajících teoretických modelů a mohla by přetvořit chápání vědců o pohybu tepla v pevných materiálech. Výsledky také ukazují na slibnou novou polovodičovou možnost pro zařízení, která vyžadují pokročilé řízení tepla, včetně chytrých telefonů, vysokovýkonných elektronických zařízení a datových center.
„Důvěřujeme našemu měření; naše data jsou správná, což znamená, že teorie potřebuje úpravu,“ řekl Zhifeng Ren, odpovědný autor a profesor fyziky na UH College of Natural Sciences and Mathematics. „Netvrdím, že je teorie špatná, ale je třeba provést úpravu, aby byla v souladu s experimentálními daty.“
Průlom ve dlouho udržovaných limitech
Tento objev vznikl ve spolupráci mezi Texas Center for Superconductivity na Univerzitě v Houstonu, University of California v Santa Barbaře a Boston College.
Více než deset let byl boron arsenid zdrojem zájmu pro vědce. V roce 2013 předpověděl fyzik z Boston College, David Broido, že BAs by mohl teoreticky vést teplo tak efektivně – nebo dokonce lépe – než diamant. Nicméně revidované modely z roku 2017 přidaly složitý faktor známý jako čtyřfónové rozptylování, což snížilo předpokládaný výkon na zhruba 1 360 W/mK. To způsobilo, že se mnozí ve vědecké komunitě vzdali myšlenky, že by BAs mohl překonat vodivost diamantu.
Skupina Ren však podezírá, že problém není v intrinsické schopnosti materiálu, ale v nečistotách v něm. Dřívější experimentální vzorky obsahovaly defekty, které omezovaly výkon na přibližně 1 300 W/mK, což bylo daleko pod ideálními podmínkami použitými v teoretických předpovědích.
Čistší krystaly, rekordní výsledky
Zdokonalením surového arseniku a vývojem vylepšených metod syntézy vytvořil tým vedený UH krystaly boron arsenidu s významně méně nedokonalostmi. Při testování tyto vzorky s vysokou čistotou prokázaly pozoruhodnou tepelnou vodivost nad 2 100 W/mK – překonávající nejen dřívější experimentální výsledky, ale také teoretický strop.
Tento úspěch potvrzuje, že čistota materiálu hraje rozhodující roli v výkonu přenosu tepla a otevírá cestu k ještě účinnějším materiálům pro vedení tepla.
Proč je tento objev důležitý
Důsledky tohoto průlomu sahají daleko za měření v laboratoři. Boron arsenid má potenciál revolučně proměnit elektroniku a polovodičovou technologii tím, že poskytuje materiál, který efektivně odvádí teplo a vykazuje výborné polovodičové vlastnosti.
Jeho výhody zahrnují:
- Snazší a nákladově efektivní výrobní proces ve srovnání s diamantem, bez potřeby extrémních teplot nebo tlaku.
- Výjimečná tepelná vodivost v kombinaci s efektivním polovodičovým chováním.
- Potenciálně lepší elektronický výkon ve srovnání se silikem díky vysoké mobilitě nosičů, širokému zakázanému pásmu a dobře vyváženému koeficientu tepelné roztažnosti.
„Tento nový materiál je úžasný,“ říká Ren. „Má nejlepší vlastnosti dobrého polovodiče a dobrého tepelného vodiče – všechny dobré vlastnosti v jednom materiálu. To se dosud u jiných polovodičových materiálů nestalo.“
Dohled do budoucnosti: Posouvání hranic fyziky
Ačkoli tento objev označuje novou hranici, práce stále pokračuje. Výzkumníci v Texas Center for Superconductivity plánují nadále zdokonalovat své metody, s cílem ještě více zvýšit výkon boron arsenidu.
Tato studie je součástí projektu National Science Foundation v hodnotě 2,8 milionu dolarů, který vede Bolin Liao na UC Santa Barbara, s příspěvky z Univerzity v Houstonu, Univerzity Notre Dame a UC Irvine.
Ren vybízí vědce, aby znovu prozkoumali existující modely a zpochybnili teoretické předpoklady, které mohly podcenit materiály jako BAs. „Neměli byste nechat teorii zabránit vám v objevení něčeho ještě většího, a to se v tomto případě přesně stalo,“ řekl Ren.
