Consiguen por primera vez modificar la velocidad de la propagación del calor
Valiéndose de su naturaleza ondulatoria, pueden aumentarla hasta un 20 por ciento
Científicos franceses y japoneses han conseguido modificar la velocidad de propagación del calor, utilizando su naturaleza ondulatoria. Pueden aumentarla hasta un 20 por ciento a 4 Kelvins de temperatura, todo un avance para la nanotecnología y la microelectrónica. (Imagen : Lord Kelvin; mucho antes de la Nanotecnología)
Al igual que la luz y el sonido, el calor posee una naturaleza ondulatoria cuya influencia real todavía no es bien conocida.
Ahora, investigadores franceses y japoneses, que trabajan juntos en el proyecto LIMMS, han podido utilizar esta naturaleza ondulatoria para modificar la velocidad de propagación del calor.
Para conseguirlo, han empleado membranas de silicio perforadas de diferentes maneras y sometidas a muy bajas temperaturas. Los resultados se publican en Science Advances, según se informa en un comunicado.
A escala nanométrica, el calor se representa por las vibraciones de los átomos. Estas excitaciones colectivas, llamadas fonones, forman paquetes de ondas modelizados como casi partículas. Hay que tener en cuenta que los fonones constituyen el proceso primario por el cual se genera la conducción de calor.
Los fonones se propagan en línea recta sobre pequeñas distancias, después se dispersan cuando encuentran un obstáculo. Su longitud de coherencia, es decir, la distancia en la que la onda del fonón permanece coherente, es tan débil que el comportamiento ondulatorio de los fonones nunca había sido observado durante el transporte de calor a temperatura ambiente.
Lo que han comprobado estos investigadores es que estas ondas de los fonones tienen realmente un impacto que puede ser aprovechado para disipar calor y generar energía eléctrica.
Para conseguirlo se valieron de membranas de silicio de 145 nanómetros de espesor, perforadas por redes de agujeros. Si estos agujeros están bien regulados y alineados, las interferencias deben aparecer en teoría y ralentizar la propagación del calor.
Los investigadores enfriaron el sistema por debajo de 10 kelvins. El kelvin es una de las unidades del Sistema Internacional de Unidades y corresponde a una fracción de 1/273,16 partes de la temperatura del punto triple del agua. Se representa con la letra K.
Este descenso de la temperatura alarga la distancia de coherencia de los fonones y aumenta su longitud de onda para interferir mejor con la red de agujeros. Esto atenúa los fenómenos capaces de perturbar la experiencia.
Los científicos constataron entonces que, efectivamente, el calor se propagaba más rápidamente en el seno de redes desordenadas, con una diferencia de velocidad que alcanza hasta el 20% a 4 Kelvins de temperatura.
Las interferencia, y en consecuencia la naturaleza ondulatoria de los fonones, tienen en consecuencia un impacto en el transporte térmico.
Estos trabajos pueden tener aplicaciones en nanotecnología y microelectrónica: la falta de disipación del calor es en efecto un obstáculo importante para la miniaturización, mientras que su conversión en energía eléctrica permitiría alimentar a numerosos componentes electrónicos.
Referencia
Heat conduction tuning by wave nature of phonons. J. Maire, R. Anufriev, R. Yanagisawa, A. Ramiere, S. Volz, M. Nomur. Science Advances. 3, e1700027 (2017). DOI:10.1126/sciadv.1700027