นักวิจัยค้นพบวัสดุตัวเลือกใหม่ที่มี ค่าการนำความร้อนสูงกว่าทองแดง ที่จำเป็นสำหรับระบบระบายความร้อนในยุค AI
［ gadget gate 28 ม.ค. ］นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ลอสแอนเจลิส (UCLA) รายงานในวารสาร Science ว่าได้ค้นพบวัสดุใหม่ที่มี ค่าการนำความร้อนสูงกว่าทองแดงประมาณ 3 เท่า และยังเป็น โลหะที่มีการนำความร้อนสูงที่สุดเท่าที่เคยพบ
วัสดุนี้จึงถูกจับตามองอย่างมาก เพราะอาจกลายเป็นตัวเลือกสำคัญสำหรับการจัดการความร้อนในยุคที่ชิปและอุปกรณ์ AI สร้างความร้อนสูงจนวัสดุเดิมอย่างทองแดงเริ่มไม่เพียงพออีกต่อไป.
ค่าการนำความร้อนคือค่าที่บอกว่า วัสดุสามารถถ่ายเทความร้อนได้ดีแค่ไหน โดยยิ่งค่าสูง วัสดุนั้นก็ยิ่งระบายความร้อนได้มีประสิทธิภาพ
สำหรับโลหะทั่วไป ค่าการนำความร้อนสูงสุดเรียงลำดับดังนี้
- เงิน: 420 W/m·K
- ทองแดง: 398 W/m·K
- ทอง: 320 W/m·K
อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และเซมิคอนดักเตอร์จะสูญเสีย ประสิทธิภาพ ความเสถียร และประหยัดพลังงาน เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น จึงจำเป็นต้องมีวัสดุที่นำความร้อนได้ดีมากสำหรับทำ ฮีตซิงก์และระบบระบายความร้อน
ปัจจุบัน ทองแดง เป็นวัสดุหลักในตลาดการจัดการความร้อนทั่วโลก คิดเป็นประมาณ 30% ของวัสดุที่ใช้ทั้งหมด แต่ก็เริ่มเข้าใกล้ขีดจำกัดของมันแล้วในยุคที่ชิป AI และอุปกรณ์ประมวลผลสร้างความร้อนสูงขึ้นเรื่อย ๆ
ทีมวิจัยที่นำโดย UCLA พบว่าแบบจำลองเชิงทฤษฎีของ Θ‑TaN (Θ‑phase tantalum nitride) ซึ่งมีโครงสร้างอะตอมแบบพิเศษ—อะตอมแทนทาลัมและไนโตรเจนสลับกันในรูปหกเหลี่ยม—อาจมี ประสิทธิภาพการนำความร้อนสูงมากกว่าปกติ
งานนี้ยังสรุปความแตกต่างของแต่ละเฟสของสารประกอบ TaN ดังนี้
- ε‑phase: มีความเสถียรทางเคมีและมีความเข้ากันได้ทางชีวภาพ
- Θ‑phase: เหมาะสำหรับใช้เป็นชั้นกั้นการแพร่กระจายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
- δ‑phase: มีคุณสมบัติเด่นด้านการเป็นตัวนำยิ่งยวด
สาระสำคัญคือ การค้นพบว่า Θ‑phase ซึ่งเดิมเด่นด้านการใช้งานในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ อาจมีคุณสมบัติการนำความร้อนที่ยอดเยี่ยมกว่าที่เคยคาดคิด ทำให้มีศักยภาพต่อการพัฒนาเทคโนโลยีใหม่ ๆ ในอนาคต.
ทีมวิจัยได้ใช้หลายเทคนิคขั้นสูง เช่น ซินโครตรอนเอกซ์เรย์สแคทเทอริง และ สเปกโทรสโกปีความเร็วสูงพิเศษ เพื่อตรวจสอบคุณสมบัติของวัสดุนี้อย่างละเอียด ผลลัพธ์ชี้ชัดว่า ปฏิสัมพันธ์ระหว่างอิเล็กตรอนและโฟนอนอ่อนมาก ส่งผลให้ Θ‑TaN มีค่าการนำความร้อนสูงถึงประมาณ 1100 W/m·K ซึ่งสูงกว่าความสามารถของโลหะทั่วไปอย่างมาก และ ใกล้เคียงกับเพชรซึ่งเป็นหนึ่งในวัสดุที่นำความร้อนดีที่สุดในโลก
นักวิจัยมองว่าวัสดุที่มีการนำความร้อนสูงเป็นพิเศษเช่นนี้ อาจช่วยหลายอุตสาหกรรมที่กำลังเผชิญปัญหาความร้อนสะสม ได้เป็นอย่างมาก เช่น
- อุปกรณ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์และชิป AI
- ดาต้าเซ็นเตอร์
- ระบบอวกาศ
- แพลตฟอร์มควอนตัม
ในโลหะทั่วไป ความร้อนถูกลำเลียงโดยสองกลไกหลักคือ
- อิเล็กตรอนอิสระ ที่เคลื่อนที่ได้อย่างเสรีภายในโลหะ
- โฟนอน ซึ่งเป็นการสั่นของอะตอมในโครงผลึก
อย่างไรก็ตาม ทั้งสองกลไกนี้ไม่ได้ทำงานอย่างอิสระต่อกัน อิเล็กตรอนและโฟนอนมี ปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรง ทำให้เกิดการกระเจิง (scattering) อยู่ตลอดเวลา นอกจากนี้ โฟนอนเองก็ยังชนกัน (phonon–phonon scattering) อีกด้วย ผลรวมของการชนเหล่านี้คือ ข้อจำกัดตามธรรมชาติของค่าการนำความร้อนในโลหะ
กล่าวง่าย ๆ คือ แม้โลหะจะนำความร้อนได้ดี แต่การชนกันของอิเล็กตรอนและโฟนอนภายในโครงสร้างโลหะจะคอย “ขัดขวาง” การไหลของพลังงานความร้อน ทำให้ค่าการนำความร้อนของโลหะส่วนใหญ่ไม่สามารถสูงไปกว่าระดับที่เรารู้จัก เช่น เงิน ทองแดง หรือทองได้มากนัก
นี่คือเหตุผลที่การค้นพบวัสดุโลหะที่มีปฏิสัมพันธ์อิเล็กตรอน–โฟนอนอ่อนมากอย่าง Θ‑TaN จึงเป็นเรื่องใหญ่ เพราะมัน “หลุดพ้น” จากข้อจำกัดพื้นฐานนี้ และสามารถนำความร้อนได้สูงผิดปกติ ใกล้เคียงกับเพชรเลยทีเดียว
ศาสตราจารย์ Yongjie Hu จาก UCLA Samueli ผู้ที่นำการวิจัยครั้งนี้ ระบุว่า ความต้องการด้านการระบายความร้อนในยุค AI เพิ่ม
Continue reading
This article is free but requires login to read the full content.
Post a comment
Sign in with Google to post a comment
2 comments
All Rights Reserved © 2026
Cameron Williamson
Duis hendrerit velit scelerisque felis tempus, id porta libero venenatis. Nulla facilisi. Phasellus viverra magna commodo dui lacinia tempus. Donec malesuada nunc non dui posuere, fringilla vestibulum urna mollis. Integer condimentum ac sapien quis maximus.