El calor es algo que encontramos todos los días. Una taza de café humeante se enfría lentamente, una computadora portátil se calienta mientras está en uso y la luz del sol calienta la superficie de la Tierra. Sin embargo, cuando el calor se prueba a distancias mucho más pequeñas que el ancho de un cabello humano, puede comportarse de maneras inesperadas.
Investigadores de la Universidad Carnegie Mellon, en colaboración con colaboradores de la Universidad de Stanford y la Universidad Purdue, han demostrado un nuevo y potente método para controlar el calor a nanoescala. Sus hallazgos, publicados la naturalezaProporciona una fuerte evidencia experimental de que la transferencia de calor se puede mejorar significativamente utilizando metamateriales diseñados intencionalmente y específicamente.
Cómo se mueve el calor a través de pequeños espacios
La investigación se centra en un fenómeno conocido como transferencia de calor radiativo de campo cercano. Cuando dos objetos están separados por una distancia extremadamente pequeña, sólo unos pocos cientos de nanómetros, el calor puede viajar entre ellos de manera mucho más eficiente que en condiciones normales.
En lugar de simplemente irradiarse hacia afuera, la energía térmica puede atravesar espacios estrechos mediante ondas electromagnéticas. Este proceso permite que fluya mucho más calor de un objeto a otro de lo que normalmente se esperaría.
Los científicos han comprendido este efecto durante años, pero demostrar cómo fortalecerlo dramáticamente experimentalmente sigue siendo un desafío.
Los metamateriales mejoran la transferencia de calor.
Para lograr esto, los investigadores han recurrido a los metamateriales, materiales diseñados que contienen estructuras microscópicas repetidas diseñadas para interactuar con la energía de maneras altamente controladas.
“A diferencia de los materiales convencionales, los metamateriales están hechos con patrones diminutos y repetitivos que interactúan con la energía de manera precisa”, dijo Shane Shen, profesor de ingeniería mecánica en la Universidad Carnegie Mellon y autor principal del estudio. “Creamos estructuras microscópicas de oro sobre membranas delgadas y las colocamos cara a cara a través de un espacio a nanoescala. Esto aumentó la transferencia de calor cuatro veces más que una configuración similar sin metamateriales, mucho más allá de lo que la física convencional predeciría a distancias mayores”.
Las pruebas del equipo mostraron que las estructuras con patrones dorados aumentaron significativamente la cantidad de calor que se movía a través de la brecha, logrando tasas de transferencia de calor cuatro veces más altas que los sistemas comparables que carecen de los patrones diseñados.
La ciencia detrás del efecto
El aumento no es sólo el resultado de agregar más rutas para viajes termales.
“En lugar de agregar más caminos para el calor, las estructuras de oro interactúan con ondas de energía que ocurren naturalmente en el material, conocidas como polaritones de fonones superficiales, creando un efecto de resonancia”, dijo Zexiao Wang, estudiante de doctorado en el grupo de investigación del profesor Shen y co-primer autor del estudio. “Estas vibraciones acopladas permiten que la energía se mueva más libre y eficientemente a través de la brecha”.
Según los investigadores, el efecto se produce porque la estructura microscópica y las ondas de energía naturales del material trabajan juntas.
“Es un efecto sinérgico”, dijo Shane. “La estructura y el material se extienden mutuamente”.
Posibles aplicaciones en electrónica y energía.
El descubrimiento puede tener importantes usos prácticos. A medida que los dispositivos electrónicos se vuelven más pequeños y potentes, eliminar el exceso de calor se ha convertido en uno de los desafíos de ingeniería más importantes.
Ser capaz de dirigir y controlar el calor de manera más efectiva podría conducir a mejores métodos de enfriamiento para chips de computadora y otros sistemas electrónicos de alto rendimiento.
Los resultados también pueden beneficiar a las tecnologías energéticas. Los sistemas conocidos como termofotovoltaicos convierten la radiación de calor en energía utilizable generando electricidad a partir del calor. Aumentar la eficiencia de la transferencia de radiación térmica puede ayudar a que estas tecnologías sean más efectivas.
Además, las aplicaciones que implican detección infrarroja pueden beneficiarse de señales térmicas más fuertes y controladas con mayor precisión. Los usos potenciales van desde el monitoreo ambiental hasta la seguridad nacional.
Un paso hacia los éxitos de la ingeniería
Aunque los experimentos se realizaron en condiciones de laboratorio cuidadosamente controladas y se limitan a sistemas a nanoescala, el trabajo representa un avance importante desde las predicciones teóricas hasta las demostraciones en el mundo real.
“Si el calor puede diseñarse con la misma precisión que la electricidad o la luz, podría abrir la puerta a una nueva clase de tecnología construida no sólo para resistir el calor, sino también para aprovecharlo”, afirmó Shen.
Este trabajo fue apoyado por la Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa, la Fundación Nacional de Ciencias y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea. Sheng Shen y Shanhui Fan son autores correspondientes. Zexiao Wang, Renwen Yu y Hakan Salihoglu contribuyeron igualmente a este trabajo.
