Todos se han sentado afuera en un día soleado y se han calentado con los rayos del sol. Esto sucede a través de un proceso conocido como transferencia de calor por radiación:el sol emite luz (radiación electromagnética), que viaja a la Tierra y calienta los objetos que lo absorben. La transferencia de calor radiante también es el mecanismo detrás de las cámaras térmicas.

Cada objeto caliente incluidos los seres humanos, emite luz, lo que le permite liberar calor y termalizar al medio ambiente. Las longitudes de onda o colores de luz que se emiten, dependen de la temperatura del objeto, con el sol lo suficientemente caliente como para producir luz visible y los cuerpos humanos emitiendo luz que no es visible para el ojo pero que puede ser captada por sensores infrarrojos.

Para objetos macroscópicos, La transferencia de calor radiativo se describe con precisión mediante la conocida ley de Planck de la radiación de cuerpo negro, comúnmente visto en clases de física de pregrado. Cuando el tamaño de un objeto se acerca a la nanoescala, sin embargo, La ley de Planck ya no se aplica. A esta escala, cientos o miles de veces más pequeño que el grosor de un cabello humano, el intercambio radiativo de calor puede ser muchas veces más eficiente que a macroescala.

El control de la transferencia de calor radiativo a nanoescala puede permitir el desarrollo de una amplia gama de aplicaciones. Un ejemplo son los termofotovoltaicos, una tecnología que busca convertir el calor desperdiciado producido, por ejemplo, por motores y fábricas en electricidad utilizable. Otra aplicación consiste en enfriar los componentes electrónicos en microchips, cuyos tamaños ya han alcanzado la nanoescala. Las técnicas de gestión térmica mejoradas para estos dispositivos pueden ayudar a evitar que las computadoras se sobrecalienten y facilitar el desarrollo de chips con más transistores.

Inspirado por esta gran promesa, científicos de la Universidad de Nuevo México, Laboratorio Nacional de Los Alamos (LANL), y el Instituto de Óptica de España han publicado un estudio que ofrece una nueva perspectiva sobre la forma en que las colecciones de nanopartículas intercambian calor radiativamente entre sí y con su entorno. Su trabajo, titulado "Eigenmodes de transferencia de calor radiativa de campo cercano" se publicó en la revista Cartas de revisión física recientemente.

Antes de este trabajo, Los científicos sabían cómo calcular la dinámica de termalización de arreglos de nanopartículas, pero los cálculos requieren importantes recursos computacionales que se vuelven prohibitivos incluso para sistemas con una docena de partículas. En este estudio, dirigido por Alejandro Manjavacas en colaboración con Diego Dalvit y Wilton Kort-Kamp de LANL, los investigadores han desarrollado un marco teórico que permite la descripción simple y eficiente de la dinámica de termalización de sistemas con incluso miles de nanopartículas.

"Nuestro método proporciona un enfoque elegante y eficiente para resolver problemas que han existido durante algún tiempo, "dijo Manjavacas.

El marco teórico de los investigadores analiza la dinámica de transferencia de calor radiativo utilizando técnicas matemáticas simples que uno encontraría en una clase de álgebra lineal de pregrado. Al hacerlo, no solo pudieron estudiar la termalización de sistemas grandes y complicados, sino también descubrir una percepción física que se presenta de formas inesperadas.

Por ejemplo, el equipo descubrió que, cuando una disposición de nanopartículas tiene cierta cantidad de calor inicialmente almacenada, el sistema se acercará a la temperatura de su entorno de la misma manera, independientemente de las partículas que estén calientes. A diferencia de, si el calor total inicialmente en un sistema es cero, como cuando una nanopartícula está más caliente que el medio ambiente y otra más fría, el sistema alcanza el equilibrio térmico más rápidamente que cualquier distribución de temperatura con algo de calor inicial. Esto es cierto incluso si el último caso requiere un cambio de temperatura mucho menor que el primero.

Otro comportamiento interesante que describieron los autores implica una evolución oscilatoria de la temperatura de una nanopartícula a medida que se termaliza al medio ambiente:en el transcurso de la termalización, la nanopartícula se enfría y vuelve a calentar varias veces, aunque el ambiente siempre permanece a la misma temperatura.

"Encontré este proyecto muy emocionante porque implica la aplicación de conceptos matemáticos básicos pero elegantes a un problema de física de vanguardia, "dijo el autor principal del artículo, Stephen Sanders, quien se graduará pronto de la UNM con su Ph.D. en física con planes de mudarse a Rice University como miembro de la Rice Academy.

Otro estudiante de posgrado involucrado con el periódico, Lauren Zundel, quien es un becario de posgrado del Departamento de Ciencias de la Computación de la Energía, dice, "Fue genial aplicar lo que he aprendido sobre la ciencia computacional para resolver un problema como este".