La gestione termica è uno dei principali colli di bottiglia per l’evoluzione dell’elettronica moderna. Dai datacenter ai dispositivi mobili, passando per server AI e acceleratori di calcolo, l’aumento della densità computazionale rendersi sempre più critico per smaltire il calore generato. Non a caso, il rame è oggi il compagnoriale di riferimento per dissipatori e sistemi di raffreddamentograzie a una conducibilità termica di circa 400 W/mK.
Un team di ricerca guidato dall’Università della California di Los Angeles (UCLA) ha però identificato un materiale metallico in grado di ridefinire questo limite storico. Si tratta del nitruro di tantalio in fase thetauna particolare configurazione cristallina che mostra una conducibilità termica di circa 1.100 W/mKquasi tre volte superiore a quella di rame e argentofinora considerati i migliori metalli per il trasporto del calore.
Lo studio, pubblicato sulla rivista Scienceè stato coordinatore da Yongjie Hu, professore di ingegneria meccanica e aerospaziale alla UCLA Samueli School of Engineering. I ricercatori spiegano che la straordinaria efficienza del materiale deriva dalla sua struttura atomica unica, nella quale atomi di tantalio e azoto si dispongono in uno schema esagonale ben definito, noto come fase theta.
Nei metalli, il calore viene trasportato sia dagli elettroni liberi sia dalle vibrazioni del reticolo cristallino, i cosiddetti fononi. Storicamente, le interazioni tra elettroni e fononi – oltre a quelle tra fononi stessi – hanno imposto un limite superiore alla conducibilità termica. Le analisi condotte dal team UCLA, tramite tecniche avanzate come la diffusione di raggi X basata su sincrotrone e la spettroscopia ottica ultrarapida, hanno invece evidenziato interazioni elettrone-fonone insolitamente deboli nel nitruro di tantalio in fase theta, il che consente al calore di flusso con una resistenza molto inferiore rispetto ai metalli convenzionali.
Secondo i ricercatori, questa scoperta arriva in un momento cruciale. La rapida diffusione di tecnologie AI sta spingendo i materiali tradizionali, come il rame, ai limiti delle loro capacità, mentre la forte dipendenza globale da questo metallo per chip e acceleratori solleva anche interrogativi di natura industriale e strategica. Un’alternativa con prestazioni termiche nettamente superiori potrebbe aprire nuove possibilità nella progettazione di sistemi di raffreddamento.
Le potenziali applicazioni vanno ben oltre l’elettronica di consumo e l’hardware AI. Il nitruro di tantalio in fase theta potrebbe trovare impiego in datacenter, sistemi aerospaziali e piattaforme di calcolo quantistico, tutti ambiti in cui il controllo della temperatura è un fattore determinante per prestazioni, affidabilità ed efficienza energetica.
Lo studio è frutto di una collaborazione internazionale che coinvolge, oltre a UCLA, anche Argonne National Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory, Tohoku University e UC Irvine. La ricerca è stata finanziata da enti federali statunitensi, tra cui il Dipartimento dell’Energia e la National Science Foundation.
