Equipa liderada pela UCLA descobriu material metálico com condutividade térmica recorde Uma equipa internacional liderada pela Universidade da Califórnia em Los Angeles (UCLA) descobriu um material metálico com a maior condutividade térmica já medida na sua categoria, o que reabriu o debate sobre os limites físicos da transferência de calor em metais. O estudo, publicado na revista Science, descreve como a fase teta do nitreto de tântalo é capaz de dissipar calor a uma velocidade que até agora parecia disponível apenas para materiais exóticos ou semicondutores avançados.

A condutividade térmica é a capacidade de um material transportar calor de um ponto a outro. No mundo real, isso significa algo muito específico: o quanto um chip pode «respirar» antes que o superaquecimento o faça reduzir o desempenho ou até mesmo desligar. Hoje, o cobre continua a ser o rei dos dissipadores de calor, com índices de cerca de 400 W/m·K, e ocupa cerca de 30% do mercado mundial de materiais para gestão térmica em eletrónica e sistemas industriais. Um novo material está a dar um salto inesperado. As medições mostram que o nitreto de tântalo na fase teta tem índices de cerca de 1100 W/m·K, o que é quase três vezes mais eficiente do que o cobre ou a prata. Este número não só bate recordes, como também muda a ideia de como serão projetados os sistemas eletrónicos do futuro.

Por mais de um século, a física dos materiais partiu do princípio de que a interação entre elétrons e fônons — oscilações da estrutura atómica — estabelece um limite difícil de superar para os metais. A equipa da UCLA encontrou uma brecha nesse limite. A estrutura atómica do material, na qual os átomos de tântalo estão organizados num padrão hexagonal com inclusões de azoto, parece diminuir significativamente o atrito térmico interno. Em termos simples: o calor flui sem tantos «choques» no seu caminho.

Para demonstrar isso, os investigadores combinaram a dispersão de raios X no síncrotron e a espectroscopia ótica ultrarrápida — métodos que permitem observar como a energia térmica se move em escalas de tempo de apenas picossegundos. Eles viram uma transferência de calor surpreendentemente pura, quase elegante. Sem o ruído habitual das interações entre elétrons e átomos, que inibem outros metais. Esta inovação não se limita aos laboratórios. O controlo do regime térmico é um dos principais obstáculos à transformação digital. Por exemplo, os centros de processamento de dados já consomem cerca de 1-2% da energia elétrica mundial, e uma parte significativa dessa energia é gasta apenas no arrefecimento. Na indústria aeroespacial, sistemas eletrónicos de alta densidade lutam contra temperaturas extremas, sem permitir qualquer falha. Mesmo as novas plataformas quânticas, com o seu frágil equilíbrio térmico, poderiam beneficiar de materiais que conduzem o calor com precisão cirúrgica.

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Hu não é um novato nesta área. Em 2018, o seu grupo surpreendeu o mundo com a descoberta experimental do arseniure de boro, um semicondutor com propriedades térmicas excepcionais. Desde então, eles têm trabalhado em interfaces térmicas aprimoradas e na integração desses materiais em dispositivos de nitreto de gálio, abrindo caminho para chips mais potentes e menos dependentes de sistemas de refrigeração pesados. O projeto foi uma colaboração internacional que envolveu o Laboratório Nacional de Argonne, o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, a Universidade de Tohoku no Japão e o Instituto de Pesquisa de Materiais da Universidade da Califórnia em Irvine, com o apoio do Departamento de Energia dos EUA e da Fundação Nacional de Ciência. Esses esforços refletem uma tendência cada vez mais comum na ciência dos materiais: grandes avanços nascem em redes, e não em laboratórios isolados.

Potencial

Este tipo de materiais abre uma perspetiva interessante: eletrónica mais potente sem aumento do consumo de energia associado ao arrefecimento. Do ponto de vista prático, isso pode permitir a criação de centros de dados mais compactos, com menor pegada física e energética, o que é importante para cidades que procuram reduzir o seu impacto ambiental.

A médio prazo, a integração destes metais em veículos elétricos, sistemas de energia renovável e eletrónica de potência pode aumentar a fiabilidade dos inversores e controladores, componentes que frequentemente falham devido ao stress térmico. Menos avarias significam uma vida útil mais longa. E uma vida útil mais longa significa menos resíduos eletrónicos.

Claro que não é uma solução mágica. Mas é mais uma peça num quebra-cabeças complexo que combina materiais avançados, eficiência energética e design responsável. Um lembrete de que, às vezes, a transição ecológica não consiste apenas na produção de energia limpa, mas também numa gestão mais eficiente do calor que já produzimos. E é precisamente neste detalhe quase impercetível que reside a parte silenciosa de um futuro sustentável.