In de materiaalkunde leek een dogma onwrikbaar: diamant vertegenwoordigt de ultieme thermische geleidbaarheid onder isotrope materialen. Tegenwoordig wankelt deze zekerheid ten gevolge van een ontdekking die de fundamenten van de toegepaste thermodynamica zou kunnen herschrijven. Een team van onderzoekers van de Universiteit van Houston, in samenwerking met de Universiteit van Californië in Santa Barbara en het Boston College, heeft aangetoond dat ultrapure kristallen van boriumarsenide (BAs) de prestaties van diamant kunnen overtreffen, met waarden van thermische geleidbaarheid die hoger zijn dan 2.100 watt per meter per Kelvin (W/mK) bij kamertemperatuur. Dit onderzoek, gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Materials Today, vestigt niet alleen een nieuw experimenteel record, maar daagt ook de gevestigde theoretische modellen over warmtetransport in kristallijne stoffen uit.
De wetenschappelijke geschiedenis van boriumarsenide vindt zijn oorsprong in een theoretische voorspelling uit 2013, toen de fysicus David Broido van het Boston College en zijn collega’s berekenden dat deze binaire verbinding theoretisch diamant in thermische geleidbaarheid zou kunnen evenaren of zelfs overtreffen. Echter, in 2017 leidde een herziening tot de introductie van een complexe correctiefactor, bekend als vierfonon verstrooiing, waardoor de voorspellingen werden verlaagd tot ongeveer 1.360 W/mK. Deze theoretische correctie overtuigde veel leden van de wetenschappelijke gemeenschap dat boriumarsenide nooit echt zou kunnen concurreren met diamant, wat ertoe leidde dat veel onderzoekers dit onderzoeksgebied verlieten.
De groep onder leiding van Zhifeng Ren, professor in de natuurkunde en directeur van het Texas Center for Superconductivity aan de Universiteit van Houston, heeft daarentegen een radicaal andere methodologische benadering gekozen. In plaats van het theoretische limiet als onoverkomelijk te beschouwen, veronderstelden de onderzoekers dat het probleem zich bevond in de kwaliteit van de experimentele monsters die in eerdere studies werden gebruikt. De metingen tot dat moment hadden namelijk waarden geregistreerd rond de 1.300 W/mK, aanzienlijk lager dan de oorspronkelijke voorspellingen, maar de geteste kristallen bevatten onzuiverheden en structurele defecten die hun intrinsieke prestaties compromitteerden.
De doorbraak kwam via een drastische verbetering van de synthesemethoden. Het team ontwikkelde innovatieve methoden om ruw arsenicum te zuiveren en verfijnde de technieken voor kristalgroei, waardoor de concentratie van roosterdefecten en atomische onzuiverheden aanzienlijk werd verminderd. De aldus verkregen hoogwaardige kristallen van boriumarsenide vertoonden nauwkeurig gemeten waarden van thermische geleidbaarheid die de 2.100 W/mK overstegen, waarmee niet alleen de eerdere experimentele resultaten, maar ook de theoretische limiet van 2017 werd overschreden.
Dit resultaat heeft diepe implicaties voor de fundamentele natuurkunde van thermisch transport. De fononen, kwanta van roostertrilling die verantwoordelijk zijn voor de warmtedistributie in kristallijne vastestoffen, gedragen zich in boriumarsenide op manieren die de huidige modellen niet volledig beschrijven. De discrepantie tussen theoretische voorspelling en experimentele meting suggereert dat fononverstrooiingsprocessen die nog niet volledig begrepen zijn, of onderschatte interactieparameters, een cruciale rol spelen. Deze ontdekking heropent het methodologische debat over de noodzaak om experimentele gegevens van de hoogste kwaliteit te integreren in de validatie en verfijning van theorieën over materialen.
Naast theoretische vraagstukken steekt boriumarsenide zich af als een revolutionair materiaal voor concrete technologische toepassingen. In tegenstelling tot diamant, dat extreme temperatuur- en drukomstandigheden vereist voor synthese en beperkingen als halfgeleider vertoont, combineert BAs uitzonderlijke thermische geleidbaarheid met optimale elektronische eigenschappen: hoge mobiliteit van ladingsdragers, een brede verboden band en een thermische uitzettingscoëfficiënt die goed compatibel is met standaard substraatmaterialen in de elektronica. Deze kenmerken maken het een ideale kandidaat voor geavanceerd thermisch beheer in krachtige apparaten, van datacenterprocessoren tot smartphones, evenals in elektronische toepassingen voor elektrische voertuigen en hoge frequentie telecommunicatiesystemen.
“Dit nieuwe materiaal is buitengewoon,” merkte Ren op. “Het bezit de beste eigenschappen van zowel een goede halfgeleider als een goede thermische geleider: al deze uitstekende kenmerken zijn samengebracht in één enkel materiaal. Dit is nog nooit eerder voorgekomen in andere halfgeleidermaterialen.” De mogelijkheid om BAs-kristallen te vervaardigen met toegankelijkere en goedkopere methoden dan de synthese van kunstmatig diamant kan de technologische overdracht van fundamenteel onderzoek naar de industrie aanzienlijk versnellen.
Het onderzoek maakt deel uit van een vijfjarig project dat wordt gefinancierd door de National Science Foundation met 2,8 miljoen dollar, gecoördineerd door Bolin Liao van de Universiteit van Californië in Santa Barbara en dat ook de Universiteit van Notre Dame en UC Irvine omvat. Voorts getuigt de gedeeltelijke steun van het bedrijf Qorvo van de concrete industriële interesse in deze materiaalcategorie. De wetenschappers van het Texas Center for Superconductivity hebben al verdere verfijningen van de synthesetechnieken gepland, met als doel om de prestaties van boriumarsenide verder te optimaliseren en de fysieke mechanismen die aan de basis staan van zijn ongewone thermische gedrag definitief te klaren.
Ren doet een oproep aan de wetenschappelijke gemeenschap om zich niet te laten beperken door theoretische voorspellingen die de werkelijke capaciteiten van materialen zouden kunnen onderschatten. “We moeten niet toestaan dat een theorie je belemmert om iets nog groters te ontdekken, en dat is precies wat er in dit werk is gebeurd,” stelde de onderzoeker. De methodologische les is duidelijk: in de materiaalkunde blijft de voortdurende dialoog tussen experiment en theorie essentieel, en rigoristische en reproduceerbare experimentele resultaten moeten altijd de revisie van modellen aansteken, hoe gevestigd ze ook mogen zijn.
