Un matériau récemment découvert conduit la chaleur près de 3 fois plus vite que n'importe quel métal

Les serveurs de centres de données, les smartphones puissants et la carte mère de votre ordinateur ont un point commun : lorsque ces appareils surchauffent, leurs performances chutent, ce qui est inacceptable. C’est pourquoi on utilise le cuivre pour leur fabrication : ce métal possède une conductivité thermique élevée, ce qui signifie qu’il peut efficacement transporter et dissiper la chaleur à sa surface.

Le cuivre est déjà un excellent matériau. Avec une conductivité thermique d'environ 401 W/mK à température ambiante, il n'est devancé que de peu par l'argent, tout en étant beaucoup moins coûteux à produire. Mais des ingénieurs aérospatiaux de l'Université de Californie à Los Angeles (UCLA) ont découvert un matériau qui surpasse largement ces deux métaux, avec une conductivité thermique presque trois fois supérieure.

Le nitrure de tantale métallique en phase thêta présente une conductivité thermique extrêmement élevée de 1 100 W/mK, ce qui signifie qu'il est beaucoup plus efficace que le cuivre et l'argent pour transporter la chaleur. Leur conductivité est limitée par les fortes interactions entre les électrons libres et les vibrations atomiques appelées phonons.

Ce nom est facile à prononcer, n'est-ce pas ? Il fait référence à une structure cristalline spécifique de ce composé métallique qui possède certaines propriétés – un peu comme le carbone peut se trouver sous forme de graphite tendre et de diamant dur.

Une séquence montrant comment l'énergie thermique, transportée par les électrons, se propage à travers le nitrure de tantale en phase thêta après que le matériau métallique a été frappé par une impulsion lumineuse, de 0,1 à 10 picosecondes (observée à l'aide de la spectroscopie optique ultrarapide).

Grâce à des techniques d'analyse de la structure moléculaire telles que la diffusion des rayons X par synchrotron et la spectroscopie optique ultrarapide, les chercheurs ont mis en évidence des interactions électron-phonon exceptionnellement faibles dans cette configuration particulière de nitrure de tantale. Ceci permet une conduction thermique extrêmement efficace à travers le matériau, avec une résistance bien moindre, surpassant largement celle observée avec le cuivre et l'argent. Ces résultats ont été publiés ce mois-ci dans la revue Science .

« Avec les progrès rapides des technologies d’IA, les exigences en matière de dissipation de chaleur poussent les métaux conventionnels comme le cuivre à leurs limites de performance, et la forte dépendance mondiale au cuivre dans les puces et les accélérateurs d’IA devient une préoccupation majeure », explique Yongjie Hu, professeur à l’école d’ingénierie Samueli de l’UCLA, qui a dirigé l’étude.

Les dissipateurs thermiques, généralement en cuivre, contribuent à évacuer la chaleur des processeurs pendant leur fonctionnement, leur permettant ainsi de fonctionner efficacement.

Ce matériau métallique pourrait s'avérer une alternative intéressante au cuivre pour les dissipateurs thermiques – non seulement pour les ordinateurs et le matériel d'IA, mais aussi pour les systèmes aérospatiaux et les ordinateurs quantiques qui doivent constamment fonctionner à basse température.

https://newsroom.ucla.edu/dept/faculty/tantalum-nitride-record-thermal-conductivity-ucla-research

https://samueli.ucla.edu/ucla-led-team-discovers-metallic-material-with-record-thermal-conductivity/