Une équipe internationale de physiciens, scientifiques des matériaux, et les ingénieurs mécaniciens ont confirmé la conductivité thermique élevée prédite dans le nitrure de bore cubique enrichi en isotopes, les chercheurs rapportent dans l'édition électronique avancée de la revue Science .

La conductivité thermique d'un matériau indique la quantité de chaleur qui peut le traverser lorsque ses extrémités sont à des températures différentes. Les matériaux à très haute conductivité thermique ont des applications technologiques importantes, comme le refroidissement de la microélectronique. Mais très peu d'entre eux ont été découverts.

Les théoriciens avaient prédit que le nitrure de bore cubique isotopiquement pur (c-BN), devrait avoir une conductivité thermique extrêmement élevée, juste après les cristaux de carbone, comme le diamant.

« Nous voulions déterminer si le c-BN de haute qualité peut en fait être fabriqué pour observer les grandes magnitudes de conductivité thermique dans le c-BN, et si l'énorme augmentation de la conductivité thermique avec la purification isotopique prédite à partir des calculs théoriques est mesurée dans le matériau réel, " a déclaré David Broido, professeur de physique au Boston College, un co-auteur du rapport.

c-BN est particulièrement difficile à réaliser. Aussi, il est difficile de mesurer avec précision la conductivité thermique lorsque la valeur est élevée. L'équipe a surmonté ces défis, et les valeurs de conductivité thermique mesurées pour les échantillons de c-BN étaient assez proches de celles qu'ils avaient calculées.

"L'étude confirme que le c-BN est l'un des rares matériaux à très haute conductivité thermique, et montre qu'il a la plus grande augmentation de sa conductivité thermique lors de l'enrichissement isotopique jamais observée, " dit Broido.

L'équipe a également étudié les composés apparentés, le phosphure de bore (BP) et l'arséniure de bore (BAs). La plupart des éléments dans la nature ont des mélanges d'isotopes, Broido a expliqué. Par exemple, le bore naturel a deux isotopes, environ 20 pour cent de bore-10 et 80 pour cent de bore-11. Ces différents isotopes dans tout le matériau produisent un désordre qui s'ajoute à la résistance thermique. En fabriquant le matériau avec un seul isotope (soit juste B-10 ou juste B-11) par enrichissement isotopique, cette résistance est réduite donc la conductivité thermique augmente, il a dit.

Par une remarquable coïncidence de la nature, les éléments azote, phosphore et arsenic, qui se lient naturellement au bore pour faire du c-BN, BP et BA, n'ont qu'un seul isotope. Donc, pour ces composés, le désordre isotopique ne concerne que les atomes de bore et est donc le même dans les trois composés fabriqués avec du bore naturel, dit Broido. Encore, l'enrichissement isotopique des atomes de bore a donné un doublement de la conductivité thermique pour le c-BN, mais des augmentations beaucoup plus faibles pour BP et BAs.

Les atomes de bore et d'azote ont à peu près la même masse, tandis que l'arsenic et le phosphore sont plus lourds.

"Nous avons montré que les masses d'arsenic et de phosphore plus importantes par rapport au bore faisaient que le désordre isotopique dans les BA et BP n'offrait qu'une faible résistance au flux de chaleur, " dit Broido, qui a effectué des calculs théoriques avec la stagiaire postdoctorale du Boston College, Navaneetha K. Ravichandran. "C'est comme si le trouble isotopique devenait invisible à la chaleur circulant à travers les échantillons de BA et de BP."

En revanche, l'élimination de la même quantité de désordre par enrichissement isotopique en c-BN entraîne une augmentation considérable de la conductivité thermique.

Dans tout, 24 chercheurs ont contribué au projet. En plus du Boston College, l'équipe comprenait les groupes de recherche de Gang Chen au MIT, David Cahill à l'Université de l'Illinois, Urbana-Campaign, Li Shi à l'Université du Texas à Austin, Bing Lv à l'Université du Texas à Dallas, Zhifeng Ren à l'Université de Houston, et Takashi Taniguchi de l'Institut national japonais des sciences des matériaux.

« C'était incroyable de voir les données mesurées et les calculs théoriques s'accorder si étroitement les uns avec les autres. La théorie ne contient aucun paramètre pouvant être ajusté pour s'adapter aux mesures. " a déclaré Broido. " L'excellent accord met en évidence l'exactitude de la théorie, la précision des mesures, et la grande pureté des échantillons."

Broido a déclaré qu'une enquête plus approfondie est nécessaire pour mieux comprendre les types de défauts qui se produisent dans le c-BN et qui agissent pour réduire sa conductivité thermique. Parce que de tels matériaux à conductivité thermique ultra-élevée sont si rares, il espère que les recherches théoriques et informatiques pourront identifier de nouveaux candidats et élucider les mystères entourant leurs propriétés habituelles.