La investigación moderna no ha encontrado Una forma económica de alterar la conductividad térmica de un material a temperatura ambiente.

Esa falta de control ha dificultado la creación de nuevas clases de dispositivos que utilicen fonones, los agentes de conductividad térmica, en lugar de electrones o fotones para recolectar energía o transmitir información. Los fonones, vibraciones atómicas que transportan energía térmica en sólidos a velocidades superiores a la velocidad del sonido, han resultado difíciles de aprovechar.

Ahora, utilizando solo una batería de 9 voltios a temperatura ambiente, Un equipo dirigido por el investigador de Sandia National Laboratories, Jon Ihlefeld, ha alterado la conductividad térmica del material ampliamente utilizado PZT (titanato de circonato de plomo) hasta en un 11 por ciento en escalas de tiempo de subsegundos. Lo hicieron sin recurrir a costosas cirugías como cambiar la composición del material o forzar las transiciones de fase a otros estados de la materia.

PZT, ya sea como cerámica o como película fina, se utiliza en una amplia gama de dispositivos que van desde discos duros de computadora, Pulsadores de encendido para parrillas de barbacoa, transpondedores de paso de velocidad en las cabinas de peaje de las autopistas y muchos diseños microelectromecánicos.

"Podemos alterar la conductividad térmica de PZT en un amplio rango de temperatura, en lugar de solo a las temperaturas criogénicas alcanzadas por otros grupos de investigación, ", dijo Ihlefeld." Y podemos hacerlo de forma reversible:cuando liberamos nuestro voltaje, la conductividad térmica vuelve a su valor original ".

El trabajo se realizó en materiales con interfaces internas estrechamente espaciadas, las llamadas paredes de dominio, que no estaban disponibles en décadas anteriores. El espacio reducido permite un mejor control del paso de los fonones.

"Demostramos que podemos preparar materiales cristalinos con interfaces que se pueden alterar con un campo eléctrico. Debido a que estas interfaces dispersan fonones, "dijo Ihlefeld, "Podemos cambiar activamente la conductividad térmica de un material simplemente cambiando su concentración. Creemos que este trabajo innovador hará avanzar el campo de la fonónica".

Los investigadores, con el apoyo de la oficina de Investigación y Desarrollo Dirigida por el Laboratorio de Sandia, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, y la National Science Foundation, utilizó un microscopio electrónico de barrido y un microscopio de fuerza atómica para observar cómo las paredes de dominio de subsecciones del material cambiaban en longitud y forma bajo la influencia de un voltaje eléctrico. Es este cambio el que alteró de manera controlable el transporte de fonones dentro del material.

"El verdadero logro de nuestro trabajo, "dijo Ihlefeld, "es que hemos demostrado un medio para controlar la cantidad de calor que pasa a través de un material a temperatura ambiente simplemente aplicando un voltaje a través de él. Hemos demostrado que podemos regular activamente qué tan bien el calor (fonones) se conduce a través del material. "

Ihlefeld señala que el control activo del transporte de electrones y fotones ha llevado a tecnologías que hoy se dan por sentadas en la informática. comunicaciones globales y otros campos.

"Antes de que existiera la capacidad de controlar estas partículas y ondas, Probablemente era difícil incluso soñar con tecnologías que involucraran computadoras electrónicas y láseres. Y antes de nuestra demostración de estado sólido, rápido, medios de temperatura ambiente para alterar la conductividad térmica, no han existido medios análogos para controlar el transporte de fonones. Creemos que nuestro resultado permitirá nuevas tecnologías donde sea necesario controlar los fonones, " él dijo.