Un equipo de investigación multiinstitucional dirigido por la UCLA ha descubierto un material metálico con la mayor conductividad térmica medida entre los metales, lo que desafía las suposiciones de larga data sobre los límites del transporte de calor en los materiales metálicos.
Publicado esta semana en Science , el estudio está dirigido por Yongjie Hu , profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial en la Escuela de Ingeniería Samueli de la UCLA. El equipo informó que el nitruro de tántalo metálico en fase theta conduce el calor casi tres veces más eficientemente que el cobre o la plata, los mejores metales convencionales conductores del calor.
La conductividad térmica describe la eficiencia con la que un material puede transportar el calor. Los materiales con alta conductividad térmica son esenciales para eliminar puntos calientes localizados en dispositivos electrónicos, donde el sobrecalentamiento limita el rendimiento, la fiabilidad y la eficiencia energética. El cobre domina actualmente el mercado mundial de disipadores de calor, representando aproximadamente el 30% de los materiales comerciales de gestión térmica, con una conductividad térmica de aproximadamente 400 vatios por metro-kelvin.
Nitruro de tantalio
El equipo dirigido por la UCLA descubrió que, por el contrario, el nitruro de tantalio metálico en fase theta tiene una conductividad térmica ultraalta de aproximadamente 1.100 W/mK, lo que establece un nuevo punto de referencia para los materiales metálicos y redefine lo que es posible para el transporte de calor en los metales.
“A medida que las tecnologías de IA avanzan rápidamente, las demandas de disipación de calor están llevando a metales convencionales como el cobre al límite de su rendimiento, y la gran dependencia global del cobre en chips y aceleradores de IA se está convirtiendo en una preocupación crítica”, afirmó Hu, quien también es miembro del Instituto de Nanosistemas de California en la UCLA. “Nuestra investigación demuestra que el nitruro de tántalo en fase theta podría ser una alternativa fundamentalmente nueva y superior para lograr una mayor conductividad térmica y podría ayudar a guiar el diseño de materiales térmicos de próxima generación”.
Durante más de un siglo, el cobre y la plata han representado el límite superior de la conductividad térmica entre los metales. En los materiales metálicos, el calor se transmite tanto por electrones en movimiento libre como por vibraciones atómicas conocidas como fonones. Las fuertes interacciones entre electrones y fonones, así como las interacciones fonón-fonón, han limitado históricamente la eficiencia del flujo de calor en los metales. El descubrimiento de la UCLA demuestra que este antiguo hito puede superarse.
El uso de la IA
El modelado teórico sugirió que el nitruro de tántalo en fase theta podría exhibir un transporte de calor excepcionalmente eficiente debido a su singular estructura atómica, en la que los átomos de tántalo se intercalan con átomos de nitrógeno en un patrón hexagonal. El equipo confirmó el rendimiento del material mediante diversas técnicas, como la dispersión de rayos X basada en sincrotrón y la espectroscopia óptica ultrarrápida. Estas mediciones revelaron interacciones electrón-fonón extremadamente débiles, lo que permite un flujo de calor mucho más eficiente que en los metales convencionales.
Más allá de la microelectrónica y el hardware de IA, los investigadores dicen que el descubrimiento podría afectar una amplia gama de tecnologías cada vez más limitadas por el calor, incluidos centros de datos, sistemas aeroespaciales y plataformas cuánticas emergentes.
Hu, un investigador líder en gestión térmica de electrónica, fue pionero en el descubrimiento experimental del arseniuro de boro , otro material semiconductor de alta conductividad térmica, en 2018. Desde entonces, su grupo ha demostrado interfaces térmicas de alto rendimiento y dispositivos de nitruro de galio que integran arseniuro de boro para refrigeración , lo que destaca la promesa del material para las tecnologías de semiconductores de próxima generación.
Los coautores principales del estudio son Suixuan Li, Chuanjin Su y Zihao Qin, todos estudiantes de posgrado del Laboratorio H de Hu en UCLA Samueli. Otros autores pertenecen al Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU., el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, la Universidad de Tohoku en Japón y el Instituto de Investigación de Materiales de UC Irvine.
La investigación fue financiada en parte por el Departamento de Energía de EE. UU. y la Fundación Nacional de Ciencias. El apoyo computacional fue proporcionado por el Grupo de Tecnología de Investigación del Instituto de Investigación y Educación Digital de UCLA y Bridges-2 en el Centro de Supercomputación de Pittsburgh.
galan
31/01/2026