Investigadores logran controlar el calor a nivel nanométrico con materiales innovadores

El calor es un fenómeno cotidiano que se presenta en diversas situaciones, como cuando un café se enfría o un ordenador se calienta durante su uso. Sin embargo, a escalas nanométricas, el comportamiento del calor se vuelve sorprendentemente diferente. Investigadores de la Universidad Carnegie Mellon, en colaboración con la Universidad de Stanford y la Universidad de Purdue, lograron demostrar un nuevo método para controlar el calor a nivel nanométrico, con resultados publicados en la revista Nature.

La investigación se centra en un fenómeno conocido como transferencia de calor radiativa en el campo cercano. Cuando dos objetos se encuentran a distancias extremadamente pequeñas, de solo unos cientos de nanómetros, el calor puede viajar entre ellos de manera mucho más eficiente que en condiciones normales. En lugar de simplemente irradiar hacia afuera, la energía térmica puede "túnel" a través de la pequeña separación mediante ondas electromagnéticas, lo que permite un flujo de calor mucho mayor del que se esperaría.

Los científicos han comprendido este efecto durante años, pero demostrar experimentalmente cómo fortalecerlo de manera significativa había sido un desafío. Para lograrlo, los investigadores recurrieron a los metamateriales, materiales diseñados con estructuras microscópicas que interactúan con la energía de manera controlada.

El profesor Sheng Shen, de la Universidad Carnegie Mellon, quien fue el autor principal del estudio, explicó: "A diferencia de los materiales convencionales, los metamateriales están construidos con patrones repetitivos que interactúan con la energía de formas precisas. Diseñamos estructuras microscópicas de oro sobre membranas delgadas y las colocamos cara a cara a través de una brecha a escala nanométrica, lo que aumentó la transferencia de calor hasta cuatro veces en comparación con configuraciones similares sin metamateriales, superando las predicciones de la física tradicional en distancias mayores".

Los experimentos del equipo demostraron que las estructuras de oro aumentaron significativamente la cantidad de calor que se movía a través de la brecha, logrando tasas de transferencia de calor hasta cuatro veces mayores que en sistemas comparables sin los patrones diseñados. Este aumento no es simplemente el resultado de crear más rutas para que el calor viaje.

El estudiante de doctorado Zexiao Wang, coautor del estudio, añadió: "En lugar de solo añadir más caminos para el calor, las estructuras de oro interactúan con ondas de energía que ocurren naturalmente en el material, conocidas como polaritones de fonón superficial, creando un efecto de resonancia. Estas vibraciones acopladas permiten que la energía se mueva de manera más libre y eficiente a través de la brecha".

Los investigadores subrayaron que el efecto se produce porque las estructuras microscópicas y las ondas de energía naturales del material trabajan en conjunto, creando un efecto cooperativo. "Las estructuras y el material se amplifican mutuamente", comentó Shen.

Esta innovación podría tener aplicaciones prácticas significativas. A medida que los dispositivos electrónicos se vuelven más pequeños y potentes, la eliminación del calor excesivo se ha convertido en uno de los desafíos de ingeniería más importantes. La capacidad de dirigir y controlar el calor de manera más efectiva podría llevar a métodos de refrigeración mejorados para chips de computadora y otros sistemas electrónicos de alto rendimiento.

Además, los hallazgos podrían beneficiar tecnologías energéticas. Los sistemas conocidos como termofotovoltaicos generan electricidad a partir del calor al convertir la radiación térmica en energía utilizable. Aumentar la eficiencia de la transferencia de radiación térmica podría hacer que estas tecnologías sean más viables. También, aplicaciones en sensores infrarrojos podrían beneficiarse de señales térmicas más fuertes y controladas con precisión, con usos potenciales que van desde la monitorización ambiental hasta la seguridad nacional.

Aunque los experimentos se realizaron en condiciones de laboratorio controladas y se limitan a sistemas a escala nanométrica, este trabajo representa un avance importante desde las predicciones teóricas hasta la demostración en el mundo real. "Si el calor puede ser diseñado con la misma precisión que la electricidad o la luz, podría abrir la puerta a una nueva clase de tecnologías que no solo soporten el calor, sino que lo aprovechen", concluyó Shen.