Без кристаллов какого удивительного химического элемента не было бы персональных компьютеров

Обновлено: 02.07.2024

Нейронная сеть глубокого обучения, обученная на 50 000 кристаллических структур неорганических материалов, научилась распознавать химические сходства и предсказывать появление новых материалов.

Один из способов узнать, образуют ли два элемента из таблицы Менделеева кристаллический материал, — это испытанный и проверенный метод «встряхнуть и испечь» — смешать их вместе в различных стехиометрических количествах и надеяться на лучшее. Таким образом, бинарные материалы очень хорошо освещены в научной литературе, но этот метод не может справиться с гораздо более сложными комбинаторными возможностями, предоставляемыми тремя или более элементами.

Поэтому необходимы прогнозы того, какие элементы будут сочетаться в каких соотношениях для образования обычных твердых тел, и они обещают новые материалы с желаемыми или даже беспрецедентными свойствами. Современные методы прогнозирования обычно используют эволюционные алгоритмы и применяют их к случайным начальным структурам. Эти подходы основаны на длительных расчетах энергопотребления, что затрудняет их быстрое развертывание.

Кевин Райан, Джефф Ленгьел и Майкл Шатрук из Университета штата Флорида, США, разработали новый подход к решению этой проблемы с использованием глубокой нейронной сети. Этот сложный тип искусственного интеллекта стал причиной недавнего возрождения интереса к машинному обучению и появлению беспилотных автомобилей.

Они обучили сеть работе с 50 000 структур неорганических кристаллов, не дав ей никаких знаний по химической теории, оставив ей разбираться в химии только на основе геометрического расположения атомов в кристаллах. Тесты показали, что сеть научилась распознавать сходство внутри групп элементов периодической таблицы.

«Нейронные сети, как правило, развивают собственное внутреннее представление на основе данных во время обучения, — объясняет Райан, аспирант, разработавший модель. «В данном случае сеть разработала собственное представление из нового типа отпечатка пальца, который передавал трехмерную информацию об окружающей среде атомной станции. Новый отпечаток можно представить как 12 виртуальных «глаз», окружающих сайт, чтобы дать сети несколько точек зрения».

Сеть использует химические знания, полученные во время обучения, чтобы определить, какие гипотетические, комбинаторно сгенерированные кристаллические структуры являются наиболее разумными. Успех сети оценивался по тому, насколько хорошо она могла идентифицировать примеры настоящих кристаллов, которые она никогда не видела во время обучения, из больших наборов ложных целей. Исследователи обнаружили, что в 30% случаев он включал по крайней мере одно известное соединение в число 10 наиболее вероятных вариантов. В отличие от других методов прогнозирования структуры, производительность модели не ограничивалась небольшими, отобранными вручную подмножествами структур.

«Полученная в результате модель прогнозирования привлекательна тем, что ее оценка выполняется практически в реальном времени и может выполняться на доступных персональных компьютерах. Чтобы выполнить прогноз, пользователь просто вводит желаемый набор химических элементов, и программа возвращает список результатов за считанные секунды», — объясняет Райан. Этот список представляет собой управляемый набор предложений среди астрономического числа возможных комбинаций трех или более элементов. Это могут быть неправильные и окончательные ответы, но исследователи могут легко проверить их экспериментально, и это может привести к открытию новых материалов с интересными свойствами.

Артем Р. Оганов из Сколковского института науки и технологий в России, который в своей более ранней работе разработал структурные отпечатки пальцев, использованные в этом исследовании, с осторожностью приветствовал этот прогресс. «Это хорошая газета, но мы все еще в начале», — говорит он. Основные проблемы при этом, по Оганову, заключаются в том, что представления не обязательно уникальны для конкретной структуры и в относительной неполноте имеющихся данных по сравнению с возможными сочетаниями элементов. «Есть еще важные проблемы, которые необходимо решить, прежде чем он станет инструментом для всех».

Ссылки

К. Райан, Дж. Ленгьел и М. Шатрук, Дж. Являюсь. хим. Soc., 2018 г., DOI: 10.1021/jacs.8b03913

Майкл Гросс Майкл Гросс изучал химию и получил докторскую степень в Университете Регенсбурга (Германия) в 1993 году. Спустя семь лет, совмещая постдокторские исследования в Оксфорде с научной журналистикой в качестве хобби, он полностью посвятил себя писательству. В настоящее время он регулярно публикуется в таких журналах, как Current Biology, Chemistry & Industry и Nachrichten aus der Chemie. Он написал несколько книг, в том числе «Жизнь на грани», «Путешествие в наномир», «Свет и жизнь» и (совместно с Кевином Пласко) «Астробиология» — краткое введение. В 2014 году он получил писательскую премию Немецкого химического общества (GDCh-Preis für Journalisten und Schriftsteller).

Данные для этого раздела предоставлены Британской геологической службой.

Относительный риск поставок

Интегрированный индекс риска снабжения от 1 (очень низкий риск) до 10 (очень высокий риск). Это рассчитывается путем объединения показателей изобилия земной коры, распределения запасов, концентрации производства, взаимозаменяемости, степени рециркуляции и показателей политической стабильности.

Содержание в земной коре (ppm)

Количество атомов элемента на 1 миллион атомов земной коры.

Скорость переработки

Процент переработанного товара. Более высокая скорость переработки может снизить риск поставок.

Заменяемость

Наличие подходящих заменителей данного товара.
Высокий = замена невозможна или очень сложна.
Средний = замена возможна, но может иметь экономические последствия и/или влияние на производительность
Низкая = замена возможна с незначительным влиянием на экономику и/или производительность или без них

Концентрация производства

Процент элемента, произведенного в стране-лидере-производителе. Чем выше значение, тем выше риск предложения.

Резервное распределение

Процент мировых запасов, находящихся в стране с наибольшими запасами. Чем выше значение, тем выше риск предложения.

Политическая стабильность крупнейшего производителя

Перцентильный рейтинг политической стабильности крупнейшей страны-производителя, полученный на основе показателей корпоративного управления Всемирного банка.

Политическая стабильность главного резервного держателя

Процентиль политической стабильности страны с наибольшими резервами, полученный на основе показателей управления Всемирного банка.

Риск предложения

Глоссарий

Удельная теплоемкость (Дж кг-1 К-1)

Удельная теплоемкость — это количество энергии, необходимое для изменения температуры килограмма вещества на 1 К.

Модуль Юнга

Мера жесткости вещества. Он позволяет определить, насколько сложно растянуть материал, при этом значение определяется отношением прочности на растяжение к деформации при растяжении.

Модуль сдвига

Показатель сложности деформации материала. Он определяется отношением напряжения сдвига к деформации сдвига.

Модуль объемного сжатия

Показатель сложности сжатия вещества. Он определяется отношением давления на тело к частичному уменьшению объема.

Давление пара

Мера склонности вещества к испарению. Оно определяется как равновесное давление, создаваемое газом, образующимся над веществом в замкнутой системе.

Данные о давлении и температуре — расширенные

Подкасты

Химия в своем элементе: иттрий

Вы слушаете химию в ее стихии, представленную вам Chemistry World, журналом Королевского химического общества.

На этой неделе последний из элементов, обнаруженных в маленьком городке Иттербю, и его соединения, по-видимому, имеют множество применений.

Примерно 20 лет назад большинство ученых ничего о нем не слышали, разве что смутно указывали, где он находится в периодической таблице: ниже скандия и выше лантана. Некоторые люди могли просто знать, что это один из 4 химических элементов, названных в честь небольшого шведского городка Иттербю, наряду с иттербием, эрбием и тербием.

Затем, в 1986 году, два ученых, работавших в IBM в Цюрихе, Георг Беднорц и Карл Мюллер, обнаружили, что оксид лантана-бария-меди становится сверхпроводящим при тогдашней почти рекордно высокой температуре, 35 градусов выше абсолютного нуля. Другими словами, ниже минус 238°C электрическое сопротивление соединения исчезало.

За это открытие Беднорц и Мюллер получили Нобелевскую премию по физике в 1987 году. Побуждение других ученых стряхнуть пыль со своих Периодических таблиц и попробовать заменить лантановую часть другими подобными металлами. Два американских профессора, Мау-Куен Ву и Пол Чу, вместе со своими исследовательскими группами в Университетах Алабамы и Хьюстона изучали оксид иттрия-бария-меди. Он имеет формулу YBa₂Cu₃O₇ и часто для краткости называется YBCO. Они обнаружили, что он становится сверхпроводящим при температуре 95 градусов ниже абсолютного нуля (-178 °C).

Это может показаться незначительной разницей температур, но это означало, что YBCO можно было поддерживать в сверхпроводящем состоянии с помощью жидкого азота, а не гораздо более дорогого жидкого гелия. Это вдохновило множество исследований за последние 20 лет. Конечная цель, Святой Грааль, состоит в том, чтобы найти материал, который обладал бы сверхпроводимостью при комнатной температуре, но пока никто этого не сделал.

Существует множество возможных применений YBCO; например, сканеры МРТ можно сделать более дешевыми при более высокой температуре с использованием хладагента из жидкого азота. Однако в настоящее время существуют технические проблемы, препятствующие этим коммерческим приложениям.Одна из них заключается в том, что для сверхпроводимости при температуре 95 К YBCO должен быть слегка дефицитным по кислороду, то есть иметь немногим меньше семи атомов кислорода на атом иттрия. Точное количество имеет решающее значение, и его сложно достичь.

Другие проблемы включают приведение YBCO в нужное состояние; много исследований направлено на то, чтобы сделать из него тонкие пленки и найти способ превратить его в непрерывный провод, а не просто набор кристаллов, упакованных вместе, которые не могут проводить приличные токи. Исследователи изучают возможность нанесения YBCO на гибкую металлическую проволоку, и исследования в этом направлении продолжаются.

Помимо этого, существует множество повседневных применений соединений иттрия. В его соединениях иттрий всегда присутствует в виде иона три плюс иттрий, что означает, что он бесцветен и не имеет неспаренных электронов; следовательно, у него нет собственных интересных магнитных или спектроскопических свойств. Плюсом этого является то, что соединения иттрия являются очень хорошими исходными материалами для других лантаноидов.

Наиболее известным применением является красный люминофор в электронно-лучевых трубках, которые используются в традиционных цветных телевизорах. Он сделан из оксисульфида иттрия, Y2O2S, содержащего небольшое количество трехвалентных ионов европия. Точно так же иттриевые основы часто используются для размещения ионов тербия, которые представляют собой зеленые люминофоры. Такие материалы используются в люминесцентных лампах «холодного белого света».

Иттрий-алюминиевый гранат, также известный как YAG, является очень важным синтетическим минералом. Он используется для изготовления твердых искусственных алмазов, которые сверкают так же, как настоящие. Более того, вводя небольшие количества ионов лантанидов, можно получать материалы с рядом полезных свойств. Введите, например, небольшое количество церия, и вы получите хороший желтый люминофор. Или добавьте 1 % неодима к YAG, и вы получите наиболее широко используемый твердотельный лазерный материал. А эрбий дает инфракрасный лазер.

Иттрий также находит применение в топливных элементах для питания автомобилей и автобусов, компьютеров и цифровых телефонов и, возможно, в зданиях. Небольшое количество оксида иттрия добавляется к оксиду циркония для получения так называемого оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (также называемого YSZ). Он обладает необычным свойством проводить ионы оксида, что делает его очень полезным в топливных элементах. YSZ также используется для изготовления лямбда-зондов, устанавливаемых на выхлопную систему вашего автомобиля. Они контролируют количество кислорода в выхлопных газах и отправляют обратную связь для подачи в двигатель наилучшей топливно-воздушной смеси.

Итак, это иттрий. Бесцветный, невзрачный, но, несомненно, выполняющий множество важных второстепенных ролей.

Итак, Оскар за лучшую роль второго плана достается, как вы уже догадались, Иттриуму. Это был Саймон Коттон из Уппингемской школы с многочисленными ролями и использованием иттрия. На следующей неделе у нас будет элемент, который может перенести нас в другое измерение.

В 1949 году Милтон Смит опубликовал небольшое художественное произведение, которое он назвал «Тайна элемента 117». Настоящий элемент 117 еще предстоит открыть — это пустое место в Периодической таблице сразу после галогенов. Однако 117 Смита был странным материалом, который можно было использовать, чтобы открыть окно в другое измерение. Он назвал это вещество магнитным монополем — таким, которое вместо полюсов во множественном числе, подобно обычному магниту, имело полюс. Единственное число. Теперь, хотя ни один уважаемый ученый не будет утверждать, что магнитный монополь может открыть межпространственный портал, его существование не выходит за рамки возможного, и, если верить недавним сообщениям, он может зависеть от обычного металлического элемента, который вы можете найти гольмий в нижней части периодической таблицы.

И Хейли Берч расскажет правду о таких мифических монополиях в выпуске Chemistry in its Element, который выйдет на следующей неделе. А пока меня зовут Мира Сентилингам, и спасибо за внимание.

Видео

Ресурсы

Условия использования

Изображения © Мюррей Робертсон, 1999–2011 г.
Текст © Королевское химическое общество, 1999–2011 г.

Добро пожаловать в «Визуальную интерпретацию таблицы элементов», самую поразительную версию периодической таблицы в Интернете. Этот Сайт был тщательно подготовлен для вашего посещения, и мы просим вас соблюдать и соглашаться со следующими положениями и условиями при использовании этого Сайта.

Авторские права и право собственности на Изображения принадлежат Мюррею Робертсону. RSC было предоставлено единственное и исключительное право и лицензия на производство, публикацию и дальнейшее лицензирование изображений.

RSC поддерживает этот сайт для вашей информации, обучения, общения и личного развлечения. Вы можете просматривать, загружать или распечатывать одну копию материалов, представленных на Сайте, для личного, некоммерческого и непубличного использования, но вы должны сохранять все уведомления об авторских правах и другие уведомления о правах собственности, содержащиеся в материалах.Вы не можете в дальнейшем копировать, изменять, распространять или иным образом использовать какие-либо материалы с этого Сайта без предварительного письменного согласия RSC. Изображения нельзя размещать на каком-либо веб-сайте, распространять в какой-либо библиотеке дисков, механизме хранения изображений, сетевой системе или аналогичном устройстве. Порнографическое, клеветническое, клеветническое, скандальное, мошенническое, аморальное, нарушающее авторские права или иным образом незаконное использование Изображений, конечно же, запрещено.

Если вы хотите использовать Изображения способом, не разрешенным настоящими условиями, свяжитесь с отделом издательских услуг по электронной почте. Если у вас есть сомнения, спросите.

Коммерческое использование Изображений будет оплачиваться по ставке, основанной на конкретном использовании, ценах по заявке. В таких случаях мы просим вас подписать лицензионное соглашение Visual Elements, адаптированное к конкретному использованию, которое вы предлагаете.

RSC не делает никаких заявлений о пригодности информации, содержащейся в документах и соответствующих графических изображениях, опубликованных на этом Сайте, для каких-либо целей. Все такие документы и соответствующие графические изображения предоставляются «как есть» без каких-либо заявлений или одобрений и гарантий любого рода, явных или подразумеваемых, включая, помимо прочего, подразумеваемые гарантии пригодности для конкретной цели, ненарушения прав, совместимости, безопасность и точность.

Ни при каких обстоятельствах RSC не несет ответственности за какой-либо ущерб, включая, помимо прочего, косвенный или косвенный ущерб или любой ущерб, возникающий в результате использования или потери использования, данных или прибыли, будь то в результате действия контракта, небрежности или других правонарушений. действия, возникающие в результате или в связи с использованием материалов, доступных на этом Сайте. RSC ни в коем случае не несет ответственности за любой ущерб вашему компьютерному оборудованию или программному обеспечению, который может возникнуть из-за вашего доступа к Сайту или его использования, или загрузки вами материалов, данных, текста, программного обеспечения или изображений с Сайта. , независимо от того, вызвано ли это вирусом, ошибкой или чем-то еще.

Мы надеемся, что вам понравится посещение этого Сайта. Мы будем рады вашим отзывам.

Данные для этого раздела предоставлены Британской геологической службой.

Относительный риск поставок

Содержание в земной коре (ppm)

Количество атомов элемента на 1 миллион атомов земной коры.

Скорость переработки

Процент переработанного товара. Более высокая скорость переработки может снизить риск поставок.

Заменяемость

Концентрация производства

Резервное распределение

Политическая стабильность крупнейшего производителя

Политическая стабильность главного резервного держателя

Риск предложения

Глоссарий

Удельная теплоемкость (Дж кг-1 К-1)

Модуль Юнга

Модуль сдвига

Модуль объемного сжатия

Давление пара

Данные о давлении и температуре — расширенные

Подкасты

Химия в своем элементе: кремний

Вы слушаете химию в ее стихии, представленную вам Chemistry World, журналом Королевского химического общества.

На этой неделе мы отправимся в мир научной фантастики, чтобы исследовать жизнь в открытом космосе. Это Андреа Селла.

Когда мне было около 12 лет, мы с друзьями начали читать научную фантастику. Это были фантастические миры Айзека Азимова, Ларри Нивена и Роберта Хайнлайна, предполагающие невероятные приключения на таинственных планетах — успехи космической программы «Аполлон» в то время только помогли нам приостановить наше недоверие. Одной из тем, которые я помню из этих историй, была идея о том, что инопланетные формы жизни, часто основанные на кремниевом элементе, изобилуют повсюду во Вселенной. Почему силикон? Что ж, часто говорят, что элементы, близкие друг к другу в таблице Менделеева, обладают схожими свойствами, и поэтому, соблазненные вековой отвлекающей мыслью о том, что «углерод — это элемент жизни», авторы выбрали элемент, находящийся под ним, кремний.

Я вспомнил об этих чтениях пару недель назад, когда пошел посмотреть выставку работ пары моих друзей. Названный «Каменная дыра», он состоял из потрясающих панорамных фотографий, сделанных в очень высоком разрешении внутри морских пещер в Корнуолле. Пока мы бродили по галерее, мне пришла в голову одна мысль. «Можно ли представить мир без кремния?» Неудивительно, что на каждой фотографии преобладали породы на основе кремния, и это было убедительным напоминанием о том, что кремний является вторым наиболее распространенным элементом в земной коре, уступая первое место кислороду, элементу, с которым он неизменно связан. .

Силикатные породы — те, в которых кремний тетраэдрически окружен четырьмя атомами кислорода — существуют в поразительном разнообразии, причем различия определяются тем, как строительные блоки тетраэдров соединяются друг с другом, и какие другие элементы присутствуют для завершения картины. Когда тетраэдры соединяются один с другим, получается безумный клубок цепей, похожий на огромную кастрюлю со спагетти — такие структуры можно увидеть в обычном стекле.

Самым чистым из этих цепочечных материалов является диоксид кремния (диоксид кремния), который довольно часто встречается в природе в виде бесцветного минерального кварца или горного хрусталя. В хорошем кристаллическом кварце цепочки расположены красивыми спиралями, и все они могут закручиваться влево. Или вправо. Когда это происходит, образующиеся кристаллы являются точным зеркальным отражением друг друга. Но не накладные - как левая и правая обувь. Для химика эти кристаллы хиральны, свойство, которое когда-то считалось исключительным свойством элемента углерода, а хиральность, в свою очередь, представлялась фундаментальной чертой самой жизни. И вот он, в холодном неорганическом мире кремния.

Самое грандиозное из всего, что можно создавать пористые трехмерные структуры — немного похожие на молекулярные соты — особенно в присутствии других тетраэдрических линкеров на основе алюминия. Эти эффектные материалы называются цеолитами или молекулярными ситами. Тщательно подбирая синтетические условия, можно создать материал, в котором поры и полости имеют четко определенные размеры. Теперь у вас есть материал, который можно использовать как ловушку для лобстеров, чтобы ловить молекулы или ионы соответствующего размера.

А как же сам элемент? Освободить его от кислорода тяжело, он висит, как суровая смерть, и требует жестоких условий. Хамфри Дэви, химик и шоумен из Корнуолла, первым начал подозревать, что кремнезем должен быть соединением, а не элементом. Он применил электрический ток к расплавленным щелочам и солям и, к своему удивлению и восторгу, выделил несколько чрезвычайно реакционноспособных металлов, включая калий. Теперь он перешел к тому, чтобы посмотреть, что может сделать калий. Пропустив пары калия над кремнеземом, он получил темный материал, который затем можно было сжечь и превратить обратно в чистый кремнезем. Там, где он толкал, другие следовали. Во Франции Тенар и Гей-Люссак провели аналогичные эксперименты с использованием фторида кремния. За пару лет великий шведский аналитик Йонс Якоб Берцелиус выделил более значительное количество материала и объявил его элементом.

Кремний по своим свойствам не является ни рыбой, ни птицей. Темно-серого цвета и с очень блестящим стеклянным блеском, он выглядит как металл, но на самом деле является довольно плохим проводником электричества, и во многом именно в этом заключается секрет его окончательного успеха. Проблема в том, что электроны застревают, как кусочки на чертежной доске, где нет свободных мест. Что делает кремний и другие полупроводники особенными, так это то, что один из электронов можно переместить на пустую доску — в зону проводимости, — где они могут свободно двигаться. Это немного похоже на трехмерные шахматы, в которые играет остроухий доктор Спока из «Звездного пути». Температура имеет решающее значение. Нагревая полупроводник, позвольте некоторым электронам прыгнуть, как лосось, в пустую зону проводимости. И в то же время оставшееся пространство, известное как дыра, тоже может двигаться.

Но есть и другой способ заставить кремний проводить электричество: он кажется извращенным, но намеренно вводя такие примеси, как бор или фосфор, можно слегка изменить электрические свойства кремния. Такие приемы лежат в основе функционирования кремниевых чипов, позволяющих слушать этот подкаст. Менее чем за 50 лет кремний превратился из интригующей диковинки в один из основных элементов нашей жизни.

Но остается вопрос: не ограничивается ли значение кремния миром минералов? Перспективы не кажутся радужными - силикатные волокна, подобные волокнам синего асбеста, как раз такого размера, чтобы проникать глубоко внутрь легких, где они прокалывают и разрезают внутреннюю оболочку легких. И все же из-за необычайной структурной изменчивости химия кремния используется биологическими системами. Силиконовые осколки прячутся в колючках крапивы, ожидая, что они поцарапают мягкую кожу неосторожного туриста и введут незначительное количество раздражающего вещества. А тонкие силикатные структуры в почти невообразимых количествах вырастают из множества крошечных форм жизни, лежащих в основе морских пищевых цепочек, — диатомовых водорослей.

Может ли кто-нибудь найти инопланетян на основе кремния где-то в космосе? Моя догадка, вероятно, была бы нет. Уж точно не как стихия. Он слишком реактивен, и его всегда можно обнаружить связанным с кислородом. Но даже в связи с кислородом это кажется маловероятным, или, по крайней мере, не в тех мягких условиях, которые мы наблюдаем на Земле. Но опять же, нет ничего лучше неожиданности, чтобы заставить задуматься. Как выразился генетик Дж. Б. С. Холдейн, «Вселенная не более странная, чем мы думаем. Она более странная, чем мы можем предположить». Я живу надеждой.

Поэтому маловероятно, что в космосе могут скрываться какие-то сюрпризы на основе кремния. Это была вечно обнадеживающая Андреа Селла из Университетского колледжа Лондона с химией кремния, формирующей жизнь. На следующей неделе мы услышим о рентгении, элементе, который нам нужно правильно подобрать.

Идея заключалась в том, чтобы заставить ионы никеля проникнуть в ядро висмута, чтобы два ядра слились вместе, образуя более крупный атом. Энергию столкновения нужно было тщательно контролировать, потому что, если бы ионы никеля двигались недостаточно быстро, они не смогли бы преодолеть отталкивание между двумя положительными ядрами и просто отлетели бы от висмута при контакте. Однако, если бы у ионов никеля было слишком много энергии, образовавшееся «составное ядро» имело бы столько избыточной энергии, что оно могло бы просто распасться и развалиться. Хитрость была, как каша Златовласка, чтобы было "в самый раз", чтобы произошло слияние ядер, как раз. Мира Сентилингам И присоединяйтесь к Саймону Коттону, чтобы узнать, как успешные столкновения были созданы основателями элемента рентгения, в выпуске «Химия в ее элементе» на следующей неделе. А пока я Мира Сентилингам, и спасибо за внимание.

Если ваш ноутбук или мобильный телефон начинает нагреваться после нескольких часов видеоигр или одновременного запуска слишком большого количества приложений, эти устройства на самом деле выполняют свою работу.

Отвод тепла от схем внутри компьютера во внешнюю среду имеет решающее значение: перегретые компьютерные микросхемы могут замедлять работу программ или зависать, полностью выключать устройство или вызывать необратимые повреждения.

Поскольку потребители требуют меньшего размера, более быстрых и мощных электронных устройств, которые потребляют больше тока и выделяют больше тепла, проблема управления теплом становится узким местом. Современные технологии ограничивают количество тепла, которое может быть рассеяно изнутри наружу.

Исследователи из Техасского университета в Далласе и их сотрудники из Иллинойского университета в Урбана-Шампейн и Хьюстонского университета создали потенциальное решение, описанное в исследовании, опубликованном в Интернете 5 июля в журнале Science<. /эм>.

Бинг Л.в. (произносится как «любовь»), доцент физики Школы естественных наук и математики Университета Техаса в Далласе, и его коллеги получили кристаллы полупроводникового материала, называемого арсенидом бора, которые обладают чрезвычайно высокой теплопроводностью. который описывает способность материала передавать тепло.

"Управление теплом очень важно для отраслей, использующих компьютерные микросхемы и транзисторы, – – говорит Лев, один из авторов исследования. «Для мощной небольшой электроники мы не можем использовать металл для отвода тепла, потому что металл может вызвать короткое замыкание. Мы не можем использовать охлаждающие вентиляторы, потому что они занимают место. Нам нужен недорогой полупроводник, который также рассеивает много тепла. "

Большинство современных компьютерных микросхем изготовлено из кремния, кристаллического полупроводникового материала, который хорошо рассеивает тепло. Но кремний в сочетании с другими технологиями охлаждения, встроенными в устройства, не может справиться с этим.

Алмаз обладает самой высокой известной теплопроводностью, около 2200 Вт на метр-кельвин, по сравнению с примерно 150 Вт на метр-кельвин у кремния. По словам Льва, хотя алмаз время от времени используется в приложениях, требующих отвода тепла, стоимость природных алмазов и структурные дефекты искусственных алмазных пленок делают этот материал непрактичным для широкого использования в электронике.

В 2013 году исследователи из Бостонского колледжа и Военно-морской исследовательской лаборатории опубликовали исследование, в котором предсказывается, что арсенид бора потенциально может работать так же, как алмаз, в качестве теплораспределителя. В 2015 году Лев и его коллеги из Хьюстонского университета успешно изготовили такие кристаллы арсенида бора, но этот материал имел довольно низкую теплопроводность, около 200 Вт на метр-кельвин.

С тех пор работа Льва в UT Dallas была сосредоточена на оптимизации процесса выращивания кристаллов для повышения производительности материала.

"Мы работали над этим исследованием в течение последних трех лет, и теперь получили теплопроводность примерно до 1000 ватт на метр-кельвин, что уступает только алмазу в сыпучих материалах", – сказал Лев.
Лев вместе с научным сотрудником с докторской степенью Шэн Ли, соавтором исследования, и докторантом по физике Сяоюань Лю, также автором исследования, работали над созданием кристаллов с высокой теплопроводностью в Техасском университете в Далласе с использованием метода, называемого переносом химического пара. Сырье — элементы бор и мышьяк — помещают в камеру, которая с одной стороны горячая, а с другой — холодная. Внутри камеры другое химическое вещество переносит бор и мышьяк из горячего конца в более холодный конец, где элементы объединяются в кристаллы.

"Чтобы перейти от наших предыдущих результатов с 200 ватт на метр-кельвин к 1000 ватт на метр-кельвин, нам нужно было настроить многие параметры, включая сырье, с которого мы начали, температуру и давление в камере, даже тип трубок, которые мы использовали, и то, как мы очищали оборудование", — сказал Лв.

Исследовательские группы Дэвида Кэхилла и Пиншейна Хуанга из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн сыграли ключевую роль в текущей работе, изучая дефекты в кристаллах арсенида бора с помощью современной электронной микроскопии и измеряя теплопроводность. из очень маленьких кристаллов, произведенных в UT Dallas.

"Мы измеряем теплопроводность с помощью метода, разработанного в Иллинойсе за последние десять лет, который называется "теплоотражательная способность во временной области" или TDTR, – – сказал Кэхилл, профессор и глава Департамента материаловедения и инженерии, а также автор соответствующей статьи. исследование. "TDTR позволяет нам измерять теплопроводность практически любого материала в широком диапазоне условий и имеет важное значение для успеха этой работы."

Способ рассеивания тепла в арсениде бора и других кристаллах связан с вибрациями материала. Когда кристалл вибрирует, движение создает пакеты энергии, называемые фононами, которые можно рассматривать как квазичастицы, переносящие тепло. Лв сказал, что уникальные свойства кристаллов арсенида бора, в том числе разница масс между атомами бора и мышьяка, способствуют более эффективному удалению фононов от кристаллов.

"Я думаю, что арсенид бора имеет большой потенциал для будущего электроники", — сказал Лв. «Его полупроводниковые свойства очень сравнимы с кремнием, поэтому было бы идеально использовать арсенид бора в полупроводниковых устройствах».

Лев сказал, что, хотя мышьяк сам по себе может быть токсичным для человека, когда он включается в соединение, такое как арсенид бора, материал становится очень стабильным и нетоксичным.

Следующий шаг в работе будет заключаться в том, чтобы попробовать другие процессы для улучшения роста и свойств этого материала для крупномасштабных приложений, – сказал Лв.

Исследование проводилось при поддержке Управления военно-морских исследований и Управления научных исследований ВВС.

Читайте также:


Файл Nsp чем открыть

Как узнать, какой матричный кабель нужен для ноутбука

Как заработать на Sketchup

Как отрегулировать громкость в тик-ток на ПК

Обнаружено повреждение структуры файловой системы тома в