(Phys.org) - Un equipo de científicos de la Universidad de Maryland ha descubierto que cuando la corriente eléctrica pasa a través de nanotubos de carbono, los objetos cercanos se calientan mientras que los nanotubos se mantienen fríos, como una tostadora que quema pan sin calentarse. Comprender este nuevo fenómeno completamente inesperado podría conducir a nuevas formas de construir procesadores de computadora que puedan funcionar a velocidades más altas sin sobrecalentarse.

"Este es un fenómeno nuevo que estamos observando, exclusivamente a nanoescala, y es completamente contrario a nuestra intuición y conocimiento del calentamiento Joule a escalas más grandes, por ejemplo, en cosas como tu tostadora, "dice el primer autor Kamal Baloch, quien realizó la investigación mientras era estudiante de posgrado en la Universidad de Maryland. "Los electrones del nanotubo rebotan en algo, pero no sus átomos. De alguna manera, los átomos de los materiales vecinos, el sustrato de nitruro de silicio, vibran y se calientan ".

"El efecto es un poco extraño, "admite John Cumings, un profesor asistente en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales que supervisó el proyecto de investigación. Él y Baloch han denominado al fenómeno "calentamiento remoto de Joule".

Un descubrimiento irreal

Para los investigadores de la UMD, la experiencia del descubrimiento fue como lo que tú o yo podríamos haber sentido, si, en una mañana aparentemente normal, empezamos a hacer el desayuno, sólo para descubrir que suceden ciertas cosas que parecen violar la realidad normal. La tostada se quema, pero la tostadora está fría. El interruptor de la estufa está en "HI" y la tetera está silbando, pero el quemador no está caliente.

Por supuesto, Baloch, Cumings y su colega no estaban preparando el desayuno en la cocina, pero realizando experimentos en una instalación de microscopía electrónica en la Escuela de Ingeniería A. James Clark de la Universidad de Maryland. Hicieron sus experimentos una y otra vez, y el resultado era siempre el mismo:cuando pasaban una corriente eléctrica a través de un nanotubo de carbono, el sustrato debajo de él se calentó lo suficiente como para derretir nanopartículas de metal en su superficie, pero el nanotubo en sí parecía mantenerse frío, y también los contactos metálicos que se le atribuyen.

Para nosotros, los no científicos, su experiencia puede no parecer tan extraña a primera vista, después de todo, los alimentos cocinados en un horno de microondas se calientan mientras que el propio horno se mantiene cerca de la temperatura ambiente. El problema es que Baloch y Cumings no estaban generando intencionalmente un campo de microondas. Solo estaban pasando una corriente eléctrica directa a través del nanotubo, lo que debería haber hecho que se calentara. Los datos les estaban contando una historia que no parecía tener ningún sentido:una sobre una tostadora enchufada que podía quemar pan sin calentarse.

Un fenómeno conocido como "calentamiento Joule" dicta que una corriente eléctrica hará que los electrones en movimiento reboten en los átomos de un cable metálico. haciéndolos vibrar en su lugar. Estas vibraciones crean calor, y cualquier cable conductor debe mostrar el efecto, incluidos los elementos calefactores de las tostadoras, secadoras de cabello, y estufas eléctricas. Se sabe que los nanotubos de carbono conducen electricidad como cables metálicos a nanoescala, por lo que Baloch y Cumings esperaban ver el mismo efecto cuando pasaban corriente a través de un nanotubo de carbono.

Utilizaron una técnica desarrollada en el laboratorio de Cumings llamada microscopía térmica electrónica, qué mapas de dónde se genera calor en dispositivos eléctricos a nanoescala, para observar el efecto de la corriente en un nanotubo. Esperaban ver el calor viajando a lo largo del nanotubo hasta los contactos metálicos adheridos a él. En lugar de, el calor parecía saltar directamente al sustrato de nitruro de silicio debajo, calentándolo dejando el nanotubo relativamente frío.

Pero, ¿cómo es posible que los electrones de los nanotubos hagan vibrar los átomos del sustrato si están separados por la distancia? incluso uno que mide en nanómetros? Baloch y Cumings especulan que hay un "tercero" involucrado:campos eléctricos.

"Creemos que los electrones de los nanotubos están creando campos eléctricos debido a la corriente, y los átomos del sustrato responden directamente a esos campos, "Explica Cumings." La transferencia de energía se realiza a través de estos intermediarios, y no porque los electrones del nanotubo reboten en los átomos del sustrato. Si bien existe una analogía con un horno de microondas, la física detrás de los dos fenómenos es realmente muy diferente ".

Baloch agrega que el efecto de calentamiento remoto de Joule podría tener implicaciones de gran alcance para la tecnología informática. "Lo que actualmente limita el rendimiento del procesador de una computadora es la velocidad a la que puede funcionar, y lo que limita la velocidad es el hecho de que hace demasiado calor, ", explica." Si pudiera encontrar alguna forma de deshacerse del calor residual de manera más eficaz, entonces podría correr más rápido. Un transistor que no disipa energía dentro de sí mismo como calor, como los nanotubos de nuestro experimento, podría cambiar las reglas del juego. Este nuevo mecanismo de transporte térmico le permitiría diseñar su conductor térmico y su conductor eléctrico por separado, eligiendo las mejores propiedades para cada uno sin requerir que los dos sean del mismo material ocupando la misma región del espacio ".

Por el momento, un aire de misterio todavía envuelve el fenómeno, que se ha observado solo a nanoescala, y solo en materiales de carbono. Los siguientes pasos son determinar si otros materiales pueden producir el efecto, y de ser así, qué propiedades deben tener. "Ahora sabemos que el nitruro de silicio puede absorber energía de un nanotubo portador de corriente de esta manera, pero nos gustaría probar otros materiales, como semiconductores y otros aislantes, "Cumings explica." Si realmente podemos entender cómo funciona este fenómeno, podríamos comenzar a diseñar una nueva generación de nanoelectrónica con gestión térmica integrada ".

Este descubrimiento fue publicado en el número avanzado en línea del 8 de abril de Nanotecnología de la naturaleza . La investigación fue apoyada por una subvención de la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía de EE. UU.