Un gran reto social es lograr un uso sostenible de los recursos y energía con el auge de tecnologías digitales como la inteligencia artificial (IA). Para abordar este desafío, un equipo del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC), junto a la Universidad de Colorado Boulder (EEUU), ha revelado por primera vez un mecanismo de transporte de calor que rompe con todos los paradigmas clásicos de la ingeniería térmica, impulsando la posibilidad de dispositivos electrónicos más potentes y a la vez más eficientes. Los equipos de trabajo han logrado entender cómo se transmite el calor, lo que permite controlarlo. Al cambiar ligeramente la estructura de una molécula, se ha conseguido suprimir el transporte de calor en más de un 40%.
El descubrimiento se ha publicado en Nature Materials. El trabajo también ha contado con investigadores del Consiglio Nazionale delle Ricerche (Italia).
Estudio de transporte de calor
Uno de los investigadores ha explicado que, al abrir varias aplicaciones en el móvil, usar el GPS o ver vídeos, éste se calienta debido a que la corriente que alimenta esos circuitos genera calor, tanto que podría dañar el dispositivo. Por ello, es importante enfriar los circuitos electrónicos, especialmente cuando están tan compactados como en un smartphone o en los procesadores de los centros de supercomputación que alimentan la IA. Esto es un desafío que exige nuevas soluciones térmicas disruptivas.
Para abordarlo, los investigadores han rescatado un concepto de la mecánica cuántica: la dualidad onda-partícula. El flujo de calor como partículas (fonones) se propaga desde una fuente caliente hacia una fría, sin embargo, cuando uno baja a escala nanométrica, la naturaleza ondulatoria de este fenómeno emerge.
Los autores han observado por primera vez a temperatura ambiente las propiedades ondulatorias de estos ‘portadores de calor’. Esto permite diseñar formas de suprimir casi por complejo el flujo térmico, algo casi inalcanzable en los paradigmas clásicos.
La Universidad de Colorado Boulder lleva años perfeccionando sondas térmicas que, ahora, han abierto la posibilidad de estudiar ese transporte de calor a la nanoescala. Como resultado, cambiando muy ligeramente la estructura de una molécula se conseguía suprimir el transporte de calor en más de un 40%. Fue en el ICMM-CSIC donde se consiguió explicar ese fenómeno.
En los últimos años, el equipo del ICMM-CSIC unió fuerzas con un investigador de la Universidad Autónoma de Madrid para desarrollar nuevos métodos teóricos y numéricos para entender átomo a átomo la relación entre sus vibraciones térmicas y la capacidad de transmitir calor. Mediante cálculos teóricos avanzados, se asocia dicha supresión a un fenómeno exclusivamente ondulatorio, el de la interferencia. Según indican los investigadores, los cambios en la estructura permitían hacer que ciertas vibraciones se cancelaran, suprimiendo el flujo de calor.
Este trabajo abre oportunidades para estudiar numerosas propiedades materiales basadas en el carácter ondulatorio de los portadores de calor (fonones). Este avance permitiría canalizar la energía perdida en forma de calor en cualquier industria para su aprovechamiento, reciclado o el diseño de ventanas inteligentes que activamente calienten o enfríen según la estación del año, entre otras aplicaciones, concluyen los investigadores.