Los investigadores del MIT han descubierto que el calor que se mueve en materiales llamados superredes se comporta como ondas; El hallazgo podría permitir mejores termoeléctricos.

Dispositivos termoeléctricos, que puede aprovechar las diferencias de temperatura para producir electricidad, podría hacerse más eficiente gracias a una nueva investigación sobre la propagación del calor a través de estructuras llamadas superredes. Los nuevos hallazgos muestran, inesperadamente, que el calor puede viajar como olas, en lugar de partículas, a través de estas nanoestructuras:materiales formados por capas de solo unas mil millonésimas de metro de espesor.

El calor, la vibración de átomos y moléculas en un material, generalmente viaja en una "caminata aleatoria, "que es difícil de controlar. Las nuevas observaciones muestran un patrón muy diferente, llamado flujo coherente, que es más como ondas que se mueven a través de un estanque de manera ordenada.

Esto abre la posibilidad de nuevos materiales en los que el flujo de calor podría adaptarse con precisión, materiales que podrían tener aplicaciones importantes. Por ejemplo, tal investigación podría conducir a nuevas formas de eliminar el calor generado por dispositivos electrónicos y láseres semiconductores, lo que dificulta el rendimiento e incluso puede destruir los dispositivos.

El nuevo trabajo por la estudiante graduada Maria Luckyanova, postdoctorado Jivtesh Garg y el profesor Gang Chen, todo el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, junto con otros estudiantes y profesores del MIT, Universidad de Boston, el Instituto de Tecnología de California y el Boston College — se informa esta semana en la revista Ciencias .

El estudio involucra un material nanoestructurado llamado superrejilla:en este caso, una pila de capas delgadas alternas de arseniuro de galio y arseniuro de aluminio, cada uno depositado a su vez a través de un proceso llamado deposición de vapor químico orgánico metálico. Los productos químicos que contienen estos elementos se vaporizan al vacío, y luego depositado en una superficie, sus espesores controlados con precisión durante la duración del proceso de deposición. Las capas resultantes tenían solo 12 nanómetros de grosor, aproximadamente el grosor de una molécula de ADN, y todas las estructuras tenían un grosor de entre 24 y 216 nanómetros.

Los investigadores habían creído anteriormente que, aunque tales capas podrían ser atómicamente perfectas, todavía habría suficiente rugosidad en las interfaces entre las capas para dispersar cuasi partículas transportadoras de calor, llamados fonones, mientras se movían a través de la superrejilla. En un material con muchas capas, tales efectos de dispersión se acumularían, se pensó, y "destruye el efecto de onda" de los fonones, dice Chen, el profesor Carl Richard Soderberg de ingeniería energética. Pero esta suposición nunca había sido probada, por lo que él y sus colegas decidieron volver a examinar el proceso, él dice.

En efecto, Los experimentos de Luckyanova y las simulaciones por computadora de Garg mostraron que, si bien tal dispersión de fase aleatoria tiene lugar entre fonones de alta frecuencia, los efectos de onda se conservaron entre los fonones de baja frecuencia. Chen dice que se sorprendió mucho cuando Luckyanova regresó con los primeros datos experimentales para mostrar "que la conducción coherente del calor realmente está sucediendo".

Entender los factores que controlan esta coherencia podría, Sucesivamente, conducir a mejores formas de romper esa coherencia y reducir la conducción de calor, Chen dice. Esto sería deseable en los dispositivos termoeléctricos para aprovechar la energía térmica no utilizada en todo, desde las centrales eléctricas hasta la electrónica. Tales aplicaciones requieren materiales que conduzcan muy bien la electricidad pero que conduzcan muy mal el calor.

El trabajo también podría mejorar la pérdida de calor, como para el enfriamiento de chips de computadora. La capacidad de enfocar y dirigir el flujo de calor podría conducir a una mejor gestión térmica de dichos dispositivos. Chen dice que los investigadores aún no saben cómo ejercer un control tan preciso, pero el nuevo entendimiento podría ayudar. Comprender este mecanismo basado en ondas "le brinda más formas de manipular el transporte" de calor, él dice.

Los dos materiales utilizados en este experimento tienen propiedades muy similares, Luckyanova dice:y conducen muy bien la electricidad. Pero al controlar el grosor y el espaciado de las capas, ella dice, "creemos que podemos manipular el transporte térmico, "produciendo el tipo de efecto aislante necesario para los dispositivos termoeléctricos.

El papel de las interfaces entre las capas de un material "es algo que no se entendió realmente, ", Dice Garg. Las simulaciones anteriores no habían incluido los efectos de la variación en la textura de la superficie en el proceso, él dice, pero "me di cuenta de que había una manera de simular el papel de la rugosidad" en la forma en que los fonones se movían a través de la pila de capas.

El nuevo trabajo no solo brinda la posibilidad de controlar el flujo de calor (principalmente transportado por fonones con longitudes de onda cortas) sino también para controlar el movimiento de ondas sonoras (principalmente transportado por fonones de longitud de onda más larga). "Es realmente una especie de comprensión fundamental, "Dice Chen.

Los conocimientos que hicieron posible el trabajo surgieron en gran parte a través de interacciones entre investigadores de diferentes disciplinas, facilitado a través del Centro de Conversión de Energía Solar-Térmica de Estado Sólido, un Energy Frontier Center financiado por el Departamento de Energía de EE. UU., que celebra reuniones interdisciplinarias periódicas en el MIT. "Esas reuniones proporcionaron discusiones fructíferas que realmente fortalecieron el documento, "Dice Luckyanova. La variedad de personas en el grupo" realmente nos animó a atacar este problema desde todos los lados ".