Los investigadores por primera vez han aplicado una teoría moderna del transporte de calor en experimentos con semiconductores utilizados en computadoras y láseres. con implicaciones para el diseño de dispositivos que convierten el calor residual en electricidad y el control del sobrecalentamiento en componentes electrónicos miniaturizados y de alta velocidad.

Durante más de un siglo, el transporte de calor en sólidos se ha descrito en términos del movimiento caótico aleatorio de "portadores de energía" similar a una gota de leche que se dispersa en el café y transfiere gradualmente el calor de las regiones más calientes a las más frías. Sin embargo, en las pequeñas distancias de unos pocos nanómetros, el movimiento de la energía térmica se comporta de manera diferente y se asemeja a la estructura de los fractales, que se componen de patrones que se repiten infinitamente a escalas más pequeñas.

"Cuando miramos el problema del transporte de calor, lo que sorprende es que la teoría que usamos se remonta a Fourier, que fue hace 200 años, y lo desarrolló para explicar cómo cambia la temperatura de la Tierra, "dijo Ali Shakouri, Mary Jo de Purdue University y Robert L. Kirk Director del Birck Nanotechnology Center y profesor de ingeniería eléctrica e informática. "Sin embargo, todavía usamos la misma teoría en la escala de tamaño más pequeña, digamos decenas de nanómetros, y la escala de tiempo más rápida de cientos de picosegundos ".

Un equipo de Purdue y la Universidad de California, Santa Bárbara, ha aplicado una teoría basada en el trabajo del matemático Paul Lévy en la década de 1930, en experimentos con el arseniuro de aluminio, galio, indio, semiconductor, que se utiliza en transistores y láseres de alta velocidad.

"El trabajo que hemos realizado es aplicar la teoría de Lévy por primera vez al transporte de calor en el trabajo experimental de materiales reales, "Dijo Shakouri.

Los hallazgos se presentarán en diciembre durante la reunión de otoño de la Materials Research Society en Boston. Los hallazgos se detallaron en un artículo de investigación publicado en julio en la revista. NanoLetras y presentado como historia de portada.

La investigación ha demostrado que la inserción de nanopartículas hechas de la aleación de arseniuro de erbio reduce significativamente la conductividad térmica y duplica la eficiencia termoeléctrica del semiconductor. Las aplicaciones potenciales incluyen sistemas para recolectar el calor residual en vehículos y plantas de energía.

"Por ejemplo, dos tercios de la energía generada en un automóvil se desperdicia en forma de calor, ", Dijo Shakouri." Incluso nuestras mejores plantas de energía desperdician la mitad o dos tercios de su energía en forma de calor, y ese calor podría convertirse en electricidad con termoeléctricos ".

Los dispositivos termoeléctricos generan electricidad a partir del calor, y su rendimiento depende de tener una diferencia de temperatura pronunciada, o gradiente, de un lado del dispositivo al otro. Tener una conductividad térmica más baja conserva un mayor gradiente de temperatura, mejorando el desempeño

Las nanopartículas hacen que la conductividad térmica del material se reduzca tres veces sin cambiar la dimensión fractal. Se dice que los portadores de energía, cuasipartículas llamadas fonones, experimentan un movimiento "cuasibalístico", lo que significa que se transportan sin chocar con muchas otras partículas, haciendo que el calor se conduzca con "superdifusión". El enfoque imita el efecto de "gafas Lévy, "materiales que contienen esferas de vidrio que cambian la difusión de la luz que las atraviesa. El mismo principio se puede utilizar para diseñar semiconductores que difunden el calor de manera diferente a los materiales convencionales. Además de los termoeléctricos, el enfoque podría utilizarse para reducir el calentamiento en la electrónica y mejorar el rendimiento de los dispositivos de alta velocidad y los láseres de alta potencia.