Puede sentirlo en su computadora portátil y teléfono móvil. Está detrás de su refrigerador y fotocopiadora de oficina. Si bien el calor es deseable para electrodomésticos como una cafetera, puede poner en peligro la confiabilidad y seguridad de los sistemas electrónicos en otros dispositivos, causando fallas prematuras en el mejor de los casos y explosiones en el peor.

Control activo del transporte de calor, como ocurre con los interruptores térmicos y los diodos térmicos, es importante para una amplia gama de aplicaciones en calefacción y refrigeración, conversión de energía, procesamiento de materiales, y almacenamiento de datos. En la práctica, Los diodos térmicos son componentes térmicos muy deseables para muchas aplicaciones de ingeniería porque permiten que los sistemas de energía transfieran calor a áreas designadas al mismo tiempo que las protegen cuando las temperaturas circundantes son demasiado altas.

Sheng Shen, profesor de ingeniería mecánica en la Universidad Carnegie Mellon, explora fenómenos exóticos de transporte térmico como la rectificación térmica en su laboratorio. Recientemente, dirigió un equipo de investigación que desarrolló un diodo térmico inusual hecho de nanofibra de polietileno (PE) que rectifica el calor en ambas direcciones cambiando la temperatura de trabajo. Esto es significativo porque hasta ahora, lograr un efecto de rectificación grande y adaptable requería un tamaño de macroescala o un gran sesgo de temperatura. Los hallazgos fueron publicados en Comunicaciones de la naturaleza.

El diodo térmico a nanoescala desarrollado en este trabajo permite un efecto de rectificación térmica récord alto más allá de cualquier valor experimental informado para la rectificación térmica de estado sólido. y solo requiere un pequeño sesgo de temperatura de menos de 10 Kelvin.

Para fabricar este diodo térmico de estado sólido de modo dual, Xiao Luo, Doctor. estudiante y coautor principal del artículo, sintonizó la nanofibra de PE cristalina con irradiación con haz de electrones. En su estado original, La nanofibra de PE a baja temperatura tiene una alta conductividad térmica, pero su conductividad disminuye significativamente después de que se somete a una transición de fase inducida por la temperatura de alrededor de 450 grados Kelvin.

Luo irradió una parte de la nanofibra de PE, reduciendo la conductividad térmica y bajando la temperatura de transición de fase. La parte restante de la nanofibra de PE, la parte "prístina", se dejó como en el estado original, creando una unión irradiada prístina.

"Como resultado, tenemos una heterounión, teniendo las dos partes de la unión propiedades diferentes, "dijo Luo. Debido a que las partes prístinas e irradiadas experimentan sus respectivas transiciones de fase a diferentes temperaturas, el calor se puede rectificar en ambas direcciones dependiendo de la temperatura específica. La rectificación térmica de modo dual se puede utilizar potencialmente para regular el flujo de calor de forma activa para una gestión térmica avanzada y conversión de energía, un verdadero cambio de juego para una variedad de aplicaciones industriales y médicas.

"Como elementos avanzados de control térmico, Los diodos térmicos se pueden utilizar para proteger dispositivos electrónicos o biomédicos sensibles a la temperatura de las fluctuaciones de temperatura ambiental, "dijo Shen." Por ejemplo, Los diodos térmicos de nanofibras desarrollados en este trabajo son totalmente biocompatibles y flexibles. Se pueden usar potencialmente para proteger muestras biológicas o dispositivos biomédicos de picos de calor locales y permitir una estabilización de temperatura de precisión basada en el efecto de rectificación térmica de modo dual ".

Titulado "Rectificación térmica de estado sólido de modo dual, "el artículo fue un esfuerzo de colaboración entre investigadores de la Universidad Carnegie Mellon, Universidad de California en San Diego, Universidad de Notre Dame, y el Instituto de Investigación e Ingeniería de Materiales. Además de Shen y Luo, Michael Bockstaller, profesor de ciencia e ingeniería de materiales, es coautor.