Usando un microscopio electrónico ultrarrápido de última generación, Investigadores de la Universidad de Minnesota han grabado los primeros videos que muestran cómo el calor se mueve a través de los materiales a nanoescala viajando a la velocidad del sonido.

La investigación, publicado hoy en Comunicaciones de la naturaleza , proporciona una visión sin precedentes de los roles que desempeñan las características atómicas y a nanoescala individuales que podrían ayudar en el diseño de mejores, materiales más eficientes con una amplia gama de usos, desde la electrónica personal hasta las tecnologías de energía alternativa.

La energía en forma de calor impacta en todas las tecnologías y es un factor importante en el diseño y la ingeniería de los dispositivos electrónicos y la infraestructura pública. También es la forma más grande de energía residual en aplicaciones críticas, incluida la transmisión de energía y especialmente el transporte, dónde, por ejemplo, aproximadamente el 70 por ciento de la energía de la gasolina se desperdicia en forma de calor en los motores de los automóviles.

Los científicos e ingenieros de materiales han pasado décadas investigando cómo controlar la energía térmica a nivel atómico para reciclarla y usarla para aumentar drásticamente la eficiencia y, en última instancia, reducir el uso de combustibles fósiles. Este trabajo sería de gran ayuda si se observara el movimiento del calor a través de los materiales, pero capturar imágenes de los procesos físicos básicos en el corazón del movimiento de energía térmica ha presentado enormes desafíos. Esto se debe a que las escalas de longitud fundamentales son nanómetros (una mil millonésima parte de un metro) y las velocidades pueden ser de muchas millas por segundo. Condiciones tan extremas han hecho que la obtención de imágenes de este proceso omnipresente sea extraordinariamente desafiante.

Para superar estos desafíos e imaginar el movimiento de la energía térmica, Los investigadores utilizaron un microscopio electrónico ultrarrápido (UEM) FEI Tecnai Femto de vanguardia capaz de examinar la dinámica de los materiales a escala atómica y molecular en períodos de tiempo medidos en femtosegundos (una millonésima de mil millonésima de segundo). En este trabajo, los investigadores utilizaron un breve pulso de láser para excitar electrones y calentar muy rápidamente materiales semiconductores cristalinos de diselenuro de tungsteno y germanio. Luego capturaron videos en cámara lenta (desacelerados en más de mil millones de veces la velocidad normal) de las ondas de energía resultantes que se mueven a través de los cristales.

"Tan pronto como vimos las olas, sabíamos que era una observación muy emocionante, "dijo el investigador principal David Flannigan, profesor asistente de ingeniería química y ciencia de los materiales en la Universidad de Minnesota. "En realidad, ver cómo ocurre este proceso a nanoescala es un sueño hecho realidad".

Flannigan dijo que el movimiento del calor a través del material se ve como ondas en un estanque después de que un guijarro cae al agua. Los videos muestran ondas de energía que se mueven a unos 6 nanómetros (0,000000006 metros) por picosegundo (0,000000000001 segundo). Mapeo de las oscilaciones de energía, llamados fonones, a nanoescala es fundamental para desarrollar una comprensión detallada de los fundamentos del movimiento de energía térmica.

"En muchas aplicaciones, los científicos e ingenieros quieren comprender el movimiento de la energía térmica, controlarlo, recogerlo, y guiarlo con precisión para realizar un trabajo útil o alejarlo muy rápidamente de los componentes sensibles, "Flannigan dijo." Debido a que las longitudes y los tiempos son tan pequeños y tan rápidos, Ha sido muy difícil entender en detalle cómo ocurre esto en materiales que tienen imperfecciones, como lo hacen esencialmente todos los materiales. Literalmente, observar este proceso ayudaría mucho a construir nuestro entendimiento, y ahora podemos hacer precisamente eso ".