Un equipo internacional de investigación ha identificado un nuevo régimen de transporte de calor en materiales bidimensionales ultrafinos, en el que el calor puede comportarse de forma muy distinta a la descrita por los modelos convencionales, con implicaciones relevantes para la gestión térmica en dispositivos electrónicos y fotónicos. El estudio ha sido liderado por el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2), la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB), la Universidad de Tecnología de Eindhoven (TU/e, Países Bajos) y la Universidad McGill (Canadá).
El trabajo se centra en semiconductores bidimensionales como el disulfuro de molibdeno (MoS₂) y el diseleniuro de molibdeno (MoSe₂), materiales de apenas unos átomos de espesor que presentan propiedades térmicas difíciles de predecir con los modelos clásicos.
Un nuevo régimen de transporte térmico
En condiciones habituales, el calor se propaga desde las zonas más calientes hacia las más frías mediante un proceso difusivo. Sin embargo, en estos materiales ultrafinos se ha observado un comportamiento distinto, en el que la propagación térmica se vuelve mucho más lenta y presenta características no convencionales.
Este fenómeno, identificado como transporte hidrotermoelástico, surge de la combinación de distintos efectos físicos que interactúan entre sí: la hidrodinámica de los fonones, que hace que el calor se desplace de forma colectiva como si se tratara de un fluido viscoso, y las deformaciones mecánicas del material provocadas por el calentamiento, que modifican la forma en la que la energía térmica se distribuye. Como resultado, la difusividad térmica puede reducirse hasta diez veces respecto a lo esperado en estos sistemas.
Flujo de calor en direcciones no convencionales
El estudio también muestra que, bajo ciertas condiciones, el flujo de calor puede mantenerse más tiempo concentrado en la zona de calentamiento de lo previsto y presentar componentes que se oponen al comportamiento habitual, desplazándose desde regiones más frías hacia zonas más calientes.
Este comportamiento se debe a la interacción entre efectos térmicos y mecánicos a escala nanométrica, que alteran la dinámica habitual del transporte de energía en estos materiales.
El descubrimiento aporta una nueva comprensión del comportamiento térmico en semiconductores bidimensionales, un campo clave para el desarrollo de dispositivos electrónicos y fotónicos de nueva generación. Además, abre la puerta a nuevas estrategias para controlar el flujo de calor sin necesidad de modificar la estructura del material, algo especialmente relevante para la miniaturización tecnológica y la eficiencia energética.
Las posibles aplicaciones incluyen la mejora de la gestión térmica en chips avanzados y el desarrollo de sistemas termoeléctricos más eficientes, donde el control preciso del calor resulta fundamental.