Une bouteille thermos a pour mission de conserver la température, mais parfois vous souhaitez obtenir le contraire :les puces informatiques génèrent de la chaleur qui doit être dissipée le plus rapidement possible afin que la puce ne soit pas détruite. Cela nécessite des matériaux spéciaux avec des propriétés de conduction thermique particulièrement bonnes.

En collaboration avec des groupes de Chine et des États-Unis, une équipe de recherche de la TU Wien s'est donc attachée à trouver le conducteur thermique optimal. Ils ont finalement trouvé ce qu'ils cherchaient dans une forme très spécifique de nitrure de tantale :aucun autre matériau métallique connu n'a une conductivité thermique plus élevée. Afin de pouvoir identifier ce matériel record, ils ont d'abord dû analyser quels processus jouent un rôle dans la conduction de la chaleur dans de tels matériaux au niveau atomique. Les résultats sont maintenant publiés dans la revue scientifique Lettres d'examen physique .

Électrons et vibrations du réseau

"Essentiellement, il existe deux mécanismes par lesquels la chaleur se propage dans un matériau, " explique le professeur Georg Madsen de l'Institut de chimie des matériaux de la TU Wien. " Premièrement, par les électrons qui traversent le matériau, emportant de l'énergie avec eux. C'est le mécanisme principal des bons conducteurs électriques. Et deuxièmement par les phonons, qui sont des vibrations collectives du réseau dans le matériau." Les atomes se déplacent, faisant vaciller d'autres atomes. A des températures plus élevées, la conduction thermique par propagation de ces vibrations est généralement l'effet décisif.

Mais ni les électrons ni les vibrations du réseau ne peuvent se propager complètement sans entrave à travers le matériau. Il existe différents processus qui ralentissent cette propagation de l'énergie thermique. Les électrons et les vibrations du réseau peuvent interagir les uns avec les autres, ils peuvent se disperser, ils peuvent être arrêtés par des irrégularités dans le matériau.

Dans certains cas, la conduction thermique peut même être considérablement limitée par le fait que différents isotopes d'un élément sont intégrés au matériau, c'est-à-dire atomes similaires avec des nombres de neutrons différents. Dans ce cas, les atomes n'ont pas exactement la même masse, et cela affecte le comportement vibratoire collectif des atomes dans le matériau.

"Certains de ces effets peuvent être supprimés, mais généralement pas tous en même temps, " dit Georg Madsen. " C'est comme jouer à Whack-A-Mole :vous résolvez un problème, et en même temps un nouveau surgit quelque part ailleurs."

Nitrure de tantale, le polyvalent

Malgré notre expérience quotidienne de nous brûler les mains sur une plaque de métal chaude, les métaux ont généralement une conductivité thermique médiocre. Le métal ayant la conductivité thermique connue la plus élevée est l'argent, avec seulement une fraction de la conductivité du diamant, matériau détenteur du record. Mais les diamants sont chers et très difficiles à traiter.

Avec des analyses théoriques élaborées et des simulations informatiques, l'équipe a finalement réussi à identifier un matériau approprié :la phase hexagonale du nitrure de tantale. Le tantale est particulièrement favorable car il n'y a pratiquement pas d'isotopes différents. Près de 99,99% du tantale naturel est l'isotope tantale 181, d'autres variantes se produisent à peine.

"La combinaison avec l'azote et la géométrie particulière à l'échelle atomique rendent la phase métallique, et il supprime les interactions des vibrations transportant la chaleur avec d'autres vibrations et avec les électrons conducteurs. Ce sont exactement ces interactions qui inhibent la conduction thermique dans d'autres matériaux, ", explique Georg Madsen. "Ces interactions ne sont pas possibles dans ce matériau car elles violeraient la loi de conservation de l'énergie."

Par conséquent, cette forme de nitrure de tantale combine plusieurs avantages importants, ce qui en fait un matériau record avec une conductivité thermique plusieurs fois supérieure à l'argent et comparable au diamant.

"Pour l'industrie des puces, le nitrure de tantale est un matériau très prometteur, " Madsen en est convaincu. " Les puces sont de plus en plus petites et puissantes, la conduction de la chaleur devient donc un problème de plus en plus important. Aucun autre matériau ne résout mieux ce problème que le nitrure de tantale en phase ."