La conducción y la radiación térmica son dos formas en las que el calor se transfiere de un objeto a otro:La conducción es el proceso mediante el cual el calor fluye entre los objetos en contacto físico. como una taza de té en una estufa caliente, mientras que la radiación térmica describe el flujo de calor a grandes distancias, como el calor emitido por el sol.

Estos dos procesos fundamentales de transferencia de calor explican cómo la energía se mueve a través de distancias microscópicas y macroscópicas. Pero ha sido difícil para los investigadores determinar cómo fluye el calor a través de los espacios intermedios.

Ahora, investigadores del MIT, la Universidad de Oklahoma, y la Universidad de Rutgers han desarrollado un modelo que explica cómo fluye el calor entre objetos separados por espacios de menos de un nanómetro. El equipo ha desarrollado un marco unificado que calcula el transporte de calor en espacios finitos, y ha demostrado que el flujo de calor a distancias subnanométricas no se produce por radiación o conducción, sino a través de "tunelización de fonones".

Los fonones representan unidades de energía producidas por la vibración de átomos en una red cristalina. Por ejemplo, un solo cristal de sal de mesa contiene átomos de sodio y cloruro, dispuestas en un patrón de celosía. Juntos, los átomos vibran, creando ondas mecánicas que pueden transportar calor a través de la red.

Normalmente estas ondas, o fonones, solo son capaces de llevar calor dentro, y no entre, materiales. Sin embargo, la nueva investigación muestra que los fonones pueden atravesar un espacio tan pequeño como un nanómetro, "tunelización" de un material a otro para mejorar el transporte de calor.

Los investigadores creen que el túnel de fonones explica la mecánica física del transporte de energía a esta escala, que no se puede atribuir claramente ni a la conducción ni a la radiación.

"Esto está bien en el régimen donde el lenguaje de conducción y radiación se difumina, "dice Vazrik Chiloyan, un estudiante graduado del MIT en ingeniería mecánica. "Estamos tratando de llegar a una imagen clara de lo que es la física en este régimen. Ahora hemos reunido información para demostrar que los túneles son, De hecho, lo que está sucediendo con la imagen de la transferencia de calor ".

Chiloyan y Gang Chen, el profesor Carl Richard Soderberg de Ingeniería de Energía y director del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, publica sus resultados esta semana en Comunicaciones de la naturaleza .

Borrar la imagen térmica

En las últimas décadas, Los investigadores han intentado definir el transporte de calor a distancias cada vez más pequeñas. Varios grupos, incluido el de Chen, han medido experimentalmente el flujo de calor mediante radiación térmica a través de espacios tan pequeños como decenas de nanómetros. Sin embargo, a medida que los experimentos se mueven a espacios aún más pequeños, Los investigadores han cuestionado la validez de las teorías actuales:los modelos existentes se han basado en gran medida en teorías de la radiación térmica que, según Chiloyan, "corrompieron los detalles atómicos, "simplificando demasiado el flujo de calor de un átomo a otro.

A diferencia de, Existe una teoría para la conducción de calor, conocida como funciones de Green, que describe el flujo de calor a nivel atómico para los materiales en contacto. La teoría permite a los investigadores calcular la frecuencia de vibraciones que pueden viajar a través de la interfaz entre dos materiales.

"Pero con las funciones de Green, Las interacciones átomo a átomo tienden a disminuir después de unos pocos vecinos. … Predeciría artificialmente la transferencia de calor cero después de algunas separaciones de átomos, ", Dice Chiloyan." Para predecir realmente la transferencia de calor a través de la brecha, tienes que incluir largo alcance, fuerzas electromagnéticas ".

Típicamente, Las fuerzas electromagnéticas pueden describirse mediante las ecuaciones de Maxwell, un conjunto de cuatro ecuaciones fundamentales que describen el comportamiento de la electricidad y el magnetismo. Para explicar la transferencia de calor a escala microscópica, sin embargo, Chiloyan y Chen tuvieron que desenterrar la forma menos conocida conocida como ecuaciones microscópicas de Maxwell.

"La mayoría de la gente probablemente no sepa que existe una ecuación microscópica de Maxwell, y tuvimos que ir a ese nivel para salvar la imagen atómica, "Dice Chen.

Cerrando la brecha

El equipo desarrolló un modelo de transporte de calor, basado tanto en las funciones de Green como en las ecuaciones microscópicas de Maxwell. Los investigadores utilizaron el modelo para predecir el flujo de calor entre dos redes de cloruro de sodio, o sal de mesa, separados por un espacio de un nanómetro de ancho.

Con el modelo, Chiloyan y Chen pudieron calcular y resumir los campos electromagnéticos emitidos por átomos individuales, basado en sus posiciones y fuerzas dentro de cada celosía. Mientras que las vibraciones atómicas, o fonones, normalmente no puede transportar calor a distancias mayores que unos pocos átomos, el equipo descubrió que la fuerza electromagnética sumada de los átomos puede crear un "puente" para que los fonones se crucen.

Cuando modelaron el flujo de calor entre dos celosías de cloruro de sodio, los investigadores encontraron que el calor fluía de una red a otra a través de un túnel de fonones, en espacios de un nanómetro y más pequeños.

En las brechas subnanométricas "hay un régimen en el que carecemos de un lenguaje adecuado, ", Dice Chen." Ahora hemos desarrollado un marco para explicar esta transición fundamental, cerrando esa brecha ".