Un nuevo método eléctrico incrementa el flujo de calor en un 300%

Investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía de los Estados Unidos, en colaboración con la Universidad Estatal de Ohio y Amphenol Corporation, descubrieron un método innovador para controlar el flujo de calor en materiales sólidos. Este hallazgo desafió creencias previas sobre el transporte de calor y podría conducir a la creación de sistemas de refrigeración más eficientes, dispositivos energéticos y tecnologías electrónicas.

Publicados en la revista PRX Energy, los científicos encontraron que al aplicar un campo eléctrico a una cerámica especializada, se altera el comportamiento de los fonones, que son las pequeñas vibraciones atómicas responsables de transportar el calor. Cuando los átomos vibran en la misma dirección que el campo eléctrico, conocido como dirección de polarización, esos fonones persisten durante más tiempo en comparación con las vibraciones que se mueven en otras direcciones. Como resultado, el calor se desplaza casi tres veces más eficientemente en la dirección del campo eléctrico.

La investigadora Puspa Upreti, asociada postdoctoral en el laboratorio, comentó: "La capacidad de controlar tanto la velocidad como la forma en que fluye el calor podría dar lugar a dispositivos que gestionen la energía térmica de manera mucho más eficiente".

La capacidad de dirigir el calor de manera eficiente es crucial para diversas tecnologías avanzadas, como sistemas de refrigeración electrónicos sin partes móviles, dispositivos que convierten calor en electricidad, y sistemas de cogeneración que capturan y reutilizan el calor residual de procesos industriales. Un mejor control sobre la transferencia de calor puede mejorar tanto el rendimiento como la eficiencia energética, como se ilustra con el ciclo de Carnot, que define la máxima eficiencia teórica de un motor térmico regulando cuidadosamente el movimiento del calor entre regiones calientes y frías.

En el estudio, el campo eléctrico redujo los obstáculos que normalmente interfieren con el movimiento de los fonones. Esto permitió que las vibraciones que transportan calor viajaran más lejos a través del material, similar a aliviar la congestión en una carretera, lo que resultó en una conducción de calor mucho más eficiente en la dirección del campo eléctrico.

Para entender lo que sucedía en el material, el equipo realizó experimentos en la Fuente de Neutrones por Espalación, una instalación operada por el Departamento de Energía. Utilizando técnicas avanzadas de dispersión inelástica de neutrones, los investigadores observaron tanto las posiciones de los átomos dentro del cristal como sus movimientos. Los neutrones son particularmente adecuados para este tipo de análisis, ya que pueden revelar tanto la estructura de un material como su dinámica atómica.

Las mediciones mostraron que aplicar un campo eléctrico no solo aumentó la velocidad de los fonones, sino que también extendió significativamente el tiempo que sobrevivieron antes de dispersarse. Estos tiempos de vida más largos son una razón clave por la cual el material se volvió mucho más eficiente en la conducción de calor.

Los investigadores se centraron en una clase de cerámicas conocidas como ferroelectricos basados en relaxores. Cuando se exponen a un campo eléctrico, pequeñas cargas eléctricas dentro de estos materiales se alinean, lo que reduce la dispersión de los fonones que transportan calor, permitiendo que la energía térmica se mueva a través del cristal de manera mucho más eficiente.

Los cristales utilizados en los experimentos fueron cuidadosamente cultivados y luego expuestos al campo eléctrico, o "polarizados", por Raffi Sahul en Amphenol Corporation. Los materiales resultantes demostraron un transporte de calor altamente controlable.

El investigador senior del ORNL, Michael Manley, lideró los experimentos de dispersión inelástica de neutrones junto con el miembro del personal de I+D, Raphaël Hermann. Manley destacó que los trabajos anteriores sobre materiales ferroelectricos a granel lograron mejoras modestas en la conductividad térmica del 5% al 10%, mientras que las nuevas mediciones revelaron un aumento cercano al 300% debido a que los fonones pueden viajar mucho más tiempo antes de detenerse.

La combinación de mediciones de conductividad térmica con datos de dispersión de neutrones permitió al equipo conectar directamente el aumento dramático en el flujo de calor con cambios en las vibraciones atómicas dentro del cristal. La fallecida profesora Joseph Heremans de la Universidad Estatal de Ohio diseñó los experimentos de conductividad térmica y guió a la candidata doctoral Delaram Rashadfar en el análisis. Rashadfar comentó: "Mientras que trabajos anteriores nos llevaron a esperar solo un efecto modesto, observar una diferencia de tres veces resultó ser un hallazgo significativo". El estudio fue respaldado por el programa de Ciencias Básicas de Energía del DOE junto con otros socios contribuyentes.