(Phys.org) —Los investigadores están proponiendo una nueva tecnología que podría controlar el flujo de calor de la misma forma en que los dispositivos electrónicos controlan la corriente eléctrica, un avance que podría tener aplicaciones en una amplia gama de campos, desde la electrónica hasta el textil.

El concepto utiliza pequeñas estructuras triangulares para controlar "fonones, "Fenómenos de mecánica cuántica que describen cómo viajan las vibraciones a través de la estructura cristalina de un material.

Los resultados de la investigación que utilizan simulaciones avanzadas muestran que las estructuras triangulares o en forma de T, si son lo suficientemente pequeñas en ancho, son capaces de "rectificación térmica, "o permitiendo un mayor flujo de calor en una dirección que en la dirección opuesta, dijo Xiulin Ruan, profesor asociado en la Escuela de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Purdue y en el Centro de Nanotecnología Birck.

La rectificación ha hecho posibles transistores, diodos y circuitos de memoria fundamentales para la industria de los semiconductores. Los nuevos dispositivos son rectificadores térmicos que pueden realizar la misma función, pero con fonones en lugar de corriente eléctrica.

"En la mayoría de los sistemas, el flujo de calor es igual en ambas direcciones, por lo que no hay dispositivos térmicos como diodos eléctricos. Sin embargo, Si podemos controlar el flujo de calor como controlamos la electricidad usando diodos, entonces podemos habilitar muchos dispositivos térmicos nuevos y emocionantes, incluidos los interruptores térmicos, transistores térmicos, puertas lógicas y memoria, "dijo Ruan, cuyo grupo de investigación colaboró ​​con un grupo dirigido por Yong Chen, profesor asociado en el Departamento de Física de Purdue y en la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática. "La gente está empezando a comprender cómo funciona, y está bastante lejos de ser utilizado en aplicaciones ".

Los hallazgos se detallan en un artículo de investigación que apareció en línea en la revista. Nano letras y se publicará en un próximo número de la revista. El documento fue escrito por los estudiantes de doctorado Yan Wang, Ajit Vallabhaneni y Jiuning Hu y el ex estudiante de doctorado Bo Qiu; Chen; y Ruan.

Los investigadores utilizaron un método de simulación avanzado llamado dinámica molecular para demostrar la rectificación térmica en estructuras llamadas "nanocintas de grafeno asimétricas". Las simulaciones de dinámica molecular pueden simular las vibraciones de los átomos y predecir el flujo de calor en un material.

Grafeno una capa extremadamente fina de carbono, es prometedor para aplicaciones en electrónica y computadoras. La estructura triangular debe tener un ancho diminuto para posibilitar el "confinamiento lateral" de los fonones necesarios para el efecto. Los hallazgos también muestran que la rectificación térmica no se limita al grafeno, sino que podría verse en otros materiales en estructuras como piramidales, diseños trapezoidales o en forma de T.

Hu, Ruan, y Chen también publicó un artículo hace cuatro años en la revista Nano letras , entre los primeros en proponer nanocintas de grafeno asimétricas como rectificador térmico en la investigación utilizando simulaciones de dinámica molecular. Aunque desde entonces se han dedicado numerosos estudios a este tema, hasta ahora los investigadores no conocían el mecanismo detrás de la rectificación térmica. Los nuevos hallazgos muestran que este mecanismo funciona restringiendo las vibraciones a medida que viajan a través de la pequeña dirección lateral de una estructura asimétrica.

"Demostramos que otros materiales asimétricos, como nanocables asimétricos, películas delgadas, y los puntos cuánticos de un solo material también pueden ser rectificadores térmicos de alto rendimiento, siempre que tenga confinamiento lateral, "Esto realmente amplía el potencial de esta rectificación a un espectro mucho más amplio de aplicaciones", dijo Ruan.

La rectificación térmica no se ve en estructuras de forma triangular más grandes porque carecen de confinamiento lateral. Para que se produzca el confinamiento lateral, la sección transversal de la estructura debe ser mucho más pequeña que el "camino libre medio" de un fonón, o solo unos pocos a cientos de nanómetros dependiendo del material, Dijo Wang.

"Esta es la distancia promedio que puede viajar un fonón antes de chocar con otro fonón, " él dijo.

Sin embargo, aunque los dispositivos deben ser diminutos, podrían unirse en serie para producir estructuras más grandes y un mejor rendimiento de rectificación.

El concepto podría encontrar usos en aplicaciones de "gestión térmica" para computadoras y electrónica, edificios e incluso ropa.

"Por ejemplo, en una noche de invierno, no desea que un edificio pierda calor rápidamente hacia el exterior, mientras que durante el día desea que el sol caliente el edificio, por lo que sería bueno tener materiales de construcción que permitan el flujo de calor en una dirección, pero no el otro, "Dijo Ruan.

Un potencial, aunque especulativo, la aplicación futura podría ser transistores térmicos. A diferencia de los transistores convencionales, los transistores térmicos no requerirían el uso de silicio, se basan en fonones en lugar de electrones y pueden hacer uso de la gran cantidad de calor residual que ya se genera en la mayoría de los dispositivos electrónicos prácticos, dijo Chen.