Un descubrimiento realizado por científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía respalda una teoría centenaria de Albert Einstein que explica cómo el calor se mueve a través de todo, desde tazas de viaje hasta piezas de motores.

La transferencia de calor es fundamental para todos los materiales. Esta nueva investigación, publicado en la revista Ciencias , aisladores térmicos explorados, que son materiales que bloquean la transmisión de calor.

"Vimos evidencia de lo que Einstein propuso por primera vez en 1911:que la energía térmica salta aleatoriamente de un átomo a otro en los aislantes térmicos, "dijo Lucas Lindsay, teórico de materiales en ORNL. "El salto se suma al flujo de calor normal a través de la vibración colectiva de los átomos".

El salto de energía aleatorio no se nota en materiales que conducen bien el calor, como el cobre en el fondo de las cacerolas durante la cocción, pero puede detectarse en sólidos que son menos capaces de transmitir calor.

Esta observación avanza la comprensión de la conducción de calor en los aislantes térmicos y ayudará al descubrimiento de nuevos materiales para aplicaciones desde termoeléctricos que recuperan el calor residual hasta revestimientos de barrera que evitan la transmisión de calor.

Lindsay y sus colegas utilizaron sofisticadas herramientas de detección de vibraciones para detectar el movimiento de los átomos y supercomputadoras para simular el viaje del calor a través de un simple cristal a base de talio. Su análisis reveló que las vibraciones atómicas en la red cristalina eran demasiado lentas para transmitir mucho calor.

"Nuestras predicciones fueron dos veces más bajas de lo que observamos en nuestros experimentos. Inicialmente estábamos desconcertados, ", Dijo Lindsay." Esto llevó a la observación de que otro mecanismo de transferencia de calor debe estar en juego ".

Saber que existe el segundo canal de transferencia de calor de salto de energía aleatorio informará a los investigadores sobre cómo elegir materiales para aplicaciones de gestión del calor. Este descubrimiento, si se aplica, podría reducir drásticamente los costos de energía, emisiones de carbono y calor residual.

Muchos materiales útiles, como el silicio, tienen una red de átomos unidos químicamente. El calor generalmente se transporta a través de esta red mediante vibraciones atómicas, u ondas sonoras. Estas ondas portadoras de calor chocan entre sí, lo que ralentiza la transferencia de calor.

"El material a base de talio que estudiamos tiene una de las conductividades térmicas más bajas de cualquier cristal, "Dijo Lindsay." Gran parte de la energía vibrante se limita a átomos individuales, y la energía luego salta aleatoriamente a través del cristal ".

"Tanto las ondas sonoras como el mecanismo de salto de calor teorizados por primera vez por Einstein caracterizan un modelo de dos canales, y no solo en este material, pero en varios otros materiales que también demuestran una conductividad ultrabaja, "dijo el científico de materiales de ORNL David Parker.

Por ahora, los saltos de calor solo pueden detectarse en excelentes aislantes térmicos. "Sin embargo, este canal de salto de calor bien puede estar presente en otros sólidos cristalinos, creando una nueva palanca para gestionar el calor, " él dijo.

El coautor principal del estudio fue Saikat Mukhopadhyay, ex investigador asociado postdoctoral en ORNL y actualmente investigador asociado del Consejo Nacional de Investigación en el Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU.

Coautores adicionales del artículo titulado, "Modelo de dos canales para conductividad térmica ultrabaja de cristalino Tl3VSe4, "incluido David S. Parker de ORNL, Brian C. Sales, Alexander A. Puretzky, Michael A. McGuire y Lucas Lindsay.