El creciente interés en los materiales termoeléctricos, que convierten el calor residual en electricidad, y la presión para mejorar la transferencia de calor de dispositivos microelectrónicos cada vez más potentes, han llevado a una mejor comprensión teórica y experimental de cómo se transporta el calor a través de materiales a escala nanométrica.

Investigaciones recientes se han centrado en la posibilidad de utilizar efectos de interferencia en ondas fonónicas para controlar el transporte de calor en materiales. La interferencia de ondas ya se usa para controlar electrónicos, dispositivos fotónicos y acústicos. Si se puede utilizar un enfoque similar en el transporte térmico, que podría facilitar el desarrollo de dispositivos termoeléctricos y nanoelectrónicos más eficientes, revestimientos de barrera térmica mejorados, y nuevos materiales con conductividad térmica ultrabaja.

Un artículo de progreso publicado el 23 de junio en la revista Materiales de la naturaleza describe los desarrollos recientes y predice los avances futuros en la interferencia de ondas fonónicas y los materiales de banda prohibida térmica.

"Si puede hacer que el calor se comporte como una onda y tenga interferencia mientras controla qué tan lejos se mueve, básicamente, podría controlar todas las propiedades detrás del transporte de calor, "dijo Martin Maldovan, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular y en la Escuela de Física del Instituto de Tecnología de Georgia, y el autor del artículo. "Esta sería una forma completamente nueva de comprender y manipular el calor".

En la definición clásica, el calor consiste en vibraciones en las redes atómicas de los materiales. Cuantas más vibraciones haya en la estructura de un material, cuanto más caliente esté el material. Y de la misma manera que la luz blanca está compuesta de muchos colores diferentes de luz, Estos fonones térmicos se componen de muchas frecuencias diferentes, cada una de las cuales transporta cantidades variables de calor.

Desarrollos recientes han demostrado que los fonones térmicos pueden interferir con sus propios reflejos. La observación sugiere que los fonones térmicos deben existir como ondas similares a las electrónicas, ondas fotónicas o acústicas. Esta interferencia podría potencialmente usarse para modificar la velocidad de los fonones y la densidad de estados, creando bandas prohibidas de energía que están prohibidas para las ondas de fonón. La utilización de bandas prohibidas similares en materiales ópticos y electrónicos ha sido clave para desarrollar una amplia gama de dispositivos útiles.

Hasta ahora, El transporte de calor en materiales nanoestructurados se ha controlado en gran medida mediante la introducción de impurezas a escala atómica, interfaces, superficies y nanopartículas que reducen el flujo de calor al dispersar los fonones de manera difusa. El control de los efectos de las olas podría facilitar nuevos enfoques que involucren la reflexión especular y la transmisión de vibraciones térmicas en las interfaces.

"Teniendo en cuenta el notable éxito logrado con el uso de dispositivos electrónicos, interferencia de ondas fotónicas y fonónicas para manipular electrones, ondas de luz y sonido, Ciertamente es valioso extender estas teorías a las vibraciones térmicas, creando así un enfoque fundamentalmente nuevo para manipular el flujo de calor, "Maldovan escribió en el periódico.

Los materiales termoeléctricos capturan el calor residual de fuentes como los escapes de los automóviles o los procesos industriales para producir electricidad. La mejora de estos materiales requerirá reducir aún más la conductividad térmica para mejorar su eficiencia.

Por otra parte, Los diseñadores de microelectrónica quieren aumentar la conductividad térmica para transferir el calor lejos de dispositivos pequeños y poderosos. Los desarrolladores de pilas de combustible y otros dispositivos de conversión también necesitan mejorar el control del calor.

Maldovan escribió el artículo para aclarar los problemas relacionados con el transporte térmico, e interesar a otros en el campo. Por último, Los investigadores utilizarán esta nueva información sobre el transporte de calor para diseñar mejores materiales.

"Estos fenómenos de nuevas olas se pueden utilizar para crear materiales con baja conductividad térmica, ", dijo Maldovan." Estamos tratando de crear una banda prohibida térmica, pero eso no es tan fácil de hacer ".

La búsqueda de materiales de ondas fonónicas térmicas se centrará en semiconductores muy parecidos a los que se utilizan en microelectrónica. Dijo Maldovan. Pero mientras que el silicio utilizado en microelectrónica tenía una banda prohibida natural, los científicos tuvieron que crear una brecha de banda en la fotónica y los materiales acústicos, y lo mismo ocurrirá con los materiales térmicos. Los materiales probables incluyen silicio-germanio, arseniuro de galio y aluminio y determinadas superredes de óxidos.

Los investigadores se han centrado durante muchos años en determinar hasta qué punto se puede transportar el calor en los materiales. Para el futuro, la investigación abordará la velocidad de ese transporte, y cuánto calor se mueve en el proceso, Maldovan predijo. Compara el transporte de calor con un tema más familiar:el transporte humano.

"Si quieres mover a mucha gente, necesitas un autobús que lleve mucha gente, ", dijo." También quieres un vehículo que pueda moverse rápidamente porque si te mueves más rápido, puedes llevar a más personas más lejos en menos tiempo ".

Los próximos años deberían aportar una aclaración significativa sobre el papel de la interferencia y las bandas prohibidas en los materiales térmicos. Maldovan predijo. Eso permitirá un progreso continuo en los materiales necesarios para el control térmico.

"Ahora es muy bueno entender el calor, " él dijo.