Material supera diamante na condução de calor

Redação do Site Inovação Tecnológica - 21/11/2025

Os dados observacionais do arseneto de boro vão forçar a mudança dos modelos teóricos de condutividade térmica - ele superou o diamante.
[Imagem: SIT]

Arseneto de boro

Já apontado como o melhor semicondutor de todos, o arseneto de boro (BAs), mesmo que não venha a substituir o silício, tem sido apontado nos anos recentes como um material promissor para o gerenciamento de calor e a eletrônica avançada.

E se, no quesito semicondutor, ele tem potencial para substituir o rei do pedaço, o silício, ele pode também superar o rei da condutividade termal, o diamante, quando o quesito avaliado é a transferência de calor.

Ange Niyikiza e colegas da Universidade de Houston, nos EUA, acabam de sintetizar amostras de arseneto de boro que transferem calor de modo mais eficiente do que o diamante, que há muito tempo é considerado a referência nesse quesito entre os materiais isotrópicos.

Niyikiza descobriu que, quando os cristais de BAs são produzidos com alta pureza, eles podem atingir valores de condutividade térmica superiores a 2.100 watts por metro por Kelvin (W/mK) à temperatura ambiente, superando o próprio diamante. O valor de referência do diamante é de 2.000 W/mK, mas os resultados observacionais variam de 1.800 a 2.400 W/mK, também dependendo da pureza da amostra estudada.

Estes resultados contestam os modelos teóricos aceitos hoje, e podem reformular a maneira como os cientistas pensam sobre a movimentação de calor nos materiais sólidos. Os dados também confirmam o arseneto de boro como uma nova e promissora opção de semicondutor para dispositivos que exijam gerenciamento térmico avançado, incluindo celulares, eletrônicos de alta potência e centrais de dados.

"Nós temos confiança em nossas medições; nossos dados estão corretos e isso significa que a teoria precisa de correção," disse Zhifeng Ren, coordenador da equipe. "Não estou dizendo que a teoria está errada, mas um ajuste precisa ser feito para que ela seja consistente com os dados experimentais."

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"Este novo material é maravilhoso. Ele possui todos os tipos de boas propriedades em um único material. Isso nunca aconteceu com outros materiais semicondutores."
[Imagem: Ange Benise Niyikiza et al. - 10.1016/j.mattod.2025.09.021]

Melhor condutor de calor

O arseneto de boro tem intrigado os cientistas na última década. Em 2013, a equipe do físico David Broido, coautor deste estudo experimental, previu que, teoricamente, o arseneto de boro poderia conduzir calor com a mesma eficiência - ou até melhor - do que o diamante. No entanto, novos modelos teóricos, revisados em 2017, adicionaram um fator conhecido como espalhamento de quatro fônons, o que reduziu o desempenho previsto para cerca de 1.360 W/mK. Isso fez com que muitos na área abandonassem a ideia de que o arseneto de boro pudesse superar a condutividade térmica do diamante.

O grupo de Ren, no entanto, suspeitou que a revisão para baixo dos valores esperados não era devido à capacidade intrínseca do arseneto de boro, mas sim às impurezas presentes nele - amostras experimentais anteriores chegaram apenas a 1.300 W/mK, bem abaixo das condições ideais utilizadas nas previsões teóricas.

Eles então desenvolveram novas técnicas de síntese, produzindo amostras com níveis mais elevados de pureza, e chegaram agora a 2.100 W/mK, superando não apenas os resultados experimentais anteriores, mas também o próprio limite teórico. E os valores obtidos agora poderão ser superados, já que o limite está na engenharia de fabricação do composto, e não em suas propriedades intrínsecas.

"Este novo material é maravilhoso," disse Ren. "Ele possui as melhores propriedades de um bom semicondutor e de um bom condutor térmico - todos os tipos de boas propriedades em um único material. Isso nunca aconteceu com outros materiais semicondutores."

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Em termos práticos, será necessário agora desenvolver técnicas para sintetizar o arseneto de boro em larga escala.
[Imagem: University of Houston]

Não se deixe limitar pelas teorias

As implicações desta confirmação experimental vão muito além das medições de laboratório. O arseneto de boro tem potencial para revolucionar a eletrônica e a tecnologia de semicondutores, fornecendo um material que dissipa o calor de forma eficaz e apresenta desempenho de semicondutor de alta qualidade.

Ele tem várias vantagens em relação aos concorrentes atuais, incluindo:

• Fabricação mais fácil e barata do que o diamante, sem a necessidade de temperaturas ou pressões extremas.
• Condutividade térmica excepcional, combinada com comportamento eficiente como semicondutor.
• Desempenho eletrônico potencialmente superior ao do silício devido à sua alta mobilidade de portadoras, ampla banda proibida e coeficiente de expansão térmica bem ajustado.

"Você não deve deixar que uma teoria o impeça de descobrir algo ainda maior, e foi exatamente isso que aconteceu neste trabalho," concluiu Ren.

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