Investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía, en colaboración con la Universidad Estatal de Ohio y Amfenol Corporation, han descubierto una nueva y sorprendente forma de controlar cómo se mueve el calor a través de los sólidos. Sus hallazgos desafían las suposiciones arraigadas sobre el transporte de calor y podrían conducir a sistemas de refrigeración, dispositivos energéticos y tecnologías electrónicas más eficientes.
Publicado en Energía PRXLas investigaciones han demostrado que la aplicación de un campo eléctrico a una cerámica concreta cambia el comportamiento de los fonones, las pequeñas vibraciones atómicas responsables de transportar el calor. Cuando los átomos vibran en la misma dirección que el campo eléctrico (dirección de polarización), esos fonones duran mucho más que las vibraciones. Como resultado, el calor viaja aproximadamente tres veces más eficientemente en la dirección del campo eléctrico que en otras direcciones.
“Ser capaz de controlar la velocidad y la forma en que fluye el calor puede permitir que los dispositivos manejen la energía térmica de manera mucho más eficiente”, dijo Puspa Upreti, investigadora postdoctoral asociada de ORNL.
¿Por qué regulación térmica?
La capacidad de gestionar eficientemente el calor es esencial para muchas tecnologías avanzadas. Estos incluyen sistemas de refrigeración electrónicos de estado sólido que no tienen partes móviles, dispositivos que convierten el calor en electricidad, electrónica basada en chips y sistemas de cogeneración que capturan y reutilizan el calor residual de los procesos industriales.
Un mejor control de la transferencia de calor puede mejorar tanto el rendimiento como la eficiencia energética. El concepto está ilustrado por el ciclo de Carnot, un modelo idealizado que define la eficiencia teórica máxima de una máquina térmica controlando cuidadosamente el movimiento del calor entre regiones frías y calientes.
En el nuevo estudio, el campo eléctrico redujo las barreras que normalmente interfieren con el movimiento de los fonones. Esto permite que las vibraciones portadoras de calor viajen más lejos a través del material, de forma muy similar a un atasco en una carretera muy transitada, lo que lleva a una conducción de calor mucho más eficiente hacia el campo eléctrico.
Los experimentos con neutrones revelan el movimiento nuclear
Para comprender exactamente lo que sucede dentro del material, el equipo realizó experimentos en Spallation Neutron Source, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE operada por ORNL.
Utilizando técnicas avanzadas de dispersión de neutrones elásticos, los investigadores observaron las posiciones de los átomos dentro del cristal y cómo se movían esos átomos. Los neutrones son especialmente adecuados para este tipo de análisis porque pueden revelar tanto la estructura de un elemento como su dinámica nuclear, basándose en métodos reconocidos por el trabajo ganador del Premio Nobel de Clifford Schall y Bertram Brockhaus.
Las mediciones mostraron que la aplicación de un campo eléctrico no sólo aumentaba la velocidad de los fonones sino que también prolongaba significativamente su vida antes de dispersarse. Una razón clave para esta larga vida útil es que el material conduce mucho mejor el calor.
Una cerámica con una transferencia de calor excepcional
Los investigadores se centraron en una clase de cerámica conocida como ferroeléctrica basada en relajación. Cuando se exponen a un campo eléctrico, pequeñas cargas eléctricas se alinean entre estos elementos. Esta alineación reduce la dispersión de los fonones portadores de calor, lo que permite que la energía térmica se mueva de manera más eficiente a través del cristal.
Los cristales utilizados en el experimento fueron cultivados cuidadosamente y luego expuestos a un campo eléctrico, o “polo”, por Rafi Sahul de Amfenol Corporation. Los materiales resultantes exhibieron un transporte de calor altamente controlable.
El investigador senior de ORNL, Michael Manley, dirigió los experimentos de dispersión de neutrones inelásticos junto con Raphael Herrmann, miembro senior del personal de I+D de ORNL.
“Los trabajos anteriores con materiales ferroeléctricos a granel lograron mejoras modestas en la conductividad térmica del 5 al 10 por ciento, mientras que las nuevas mediciones revelan una mejora cercana al 300 por ciento, principalmente porque los fonones pueden viajar mucho más tiempo antes de detenerse”, dijo Manley.
Un aumento del triple sorprendió a los investigadores
Combinando mediciones de conductividad térmica con datos de dispersión de neutrones, el equipo pudo vincular directamente el dramático aumento en el flujo de calor con cambios en las vibraciones atómicas dentro del cristal.
El fallecido profesor de Ohio State, Joseph Herremans, diseñó el experimento de conductividad térmica y guió al candidato doctoral Delaram Rashadfar a través del análisis.
“Aunque trabajos anteriores nos llevaron a esperar sólo un efecto modesto, observar una diferencia triple resultó ser un resultado significativo”, dijo Rashadfar. “El profesor Herremans siempre enfatizó la importancia de confiar primero en los datos y seguir la teoría”.
La investigación fue apoyada por el Programa de Ciencias Energéticas Básicas del DOE con socios contribuyentes adicionales.
