Un nuevo enfoque con aleaciones de nanopartículas permite que el calor se centre o refleje igual que ondas electromagnéticas.
Un investigador del MIT ha desarrollado una técnica que proporciona una nueva manera de manipular el calor, lo que permite que pueda ser controlado como ondas de luz que pueden ser manipuladas por lentes y espejos.
El enfoque se basa en el diseño de materiales consistentes en semiconductores nanoestructurados de cristales de aleación. El calor es una vibración de la materia, técnicamente, una vibración de la red atómica de un material, igual que el sonido. Estas vibraciones también se conciben como una corriente de fonones, que es una especie de "partícula virtual" análoga a los fotones que transportan la luz.
El enfoque se basa en el diseño de materiales consistentes en semiconductores nanoestructurados de cristales de aleación. El calor es una vibración de la materia, técnicamente, una vibración de la red atómica de un material, igual que el sonido. Estas vibraciones también se conciben como una corriente de fonones, que es una especie de "partícula virtual" análoga a los fotones que transportan la luz.
El nuevo enfoque se parece al reciente desarrollo de los cristales fotónicos que permiten controlar el paso de la luz, y los cristales fonónicos hacen lo mismo con el sonido.
Se ajusta una separación de pequeños huecos en estos materiales para que coincidan con la longitud de onda de los fonones térmicos, según explica Martin Maldovan, investigador del MIT en el Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería, y autor del artículo con los nuevos hallazgos, publicados el 11 de enero en la revista Physical Review Letters.
"Es una forma completamente nueva de manipular el calor", dice Maldovan.
Se ajusta una separación de pequeños huecos en estos materiales para que coincidan con la longitud de onda de los fonones térmicos, según explica Martin Maldovan, investigador del MIT en el Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería, y autor del artículo con los nuevos hallazgos, publicados el 11 de enero en la revista Physical Review Letters.
"Es una forma completamente nueva de manipular el calor", dice Maldovan.
El calor se diferencia del sonido, explica, por la frecuencia de sus vibraciones: Las ondas sonoras consisten en más bajas frecuencias (del rango de kilohercios, o miles de vibraciones por segundo), en tanto que el calor viene a frecuencias más altas (del rango de terahercios, o billones de vibraciones por segundo).
A fin de aplicar las técnicas ya desarrolladas para manipular el sonido, el primer paso de Maldovan fue la reducción de la frecuencia de los fonones de calor, para acercarla a la gama del sonido. Él describe esto como "calor hipersónico".
"Los fonones de sonido pueden viajar kilómetros", dice Maldovan, es lo que hace posible escuchar ruidos desde muy lejos. "Pero los fonones de calor sólo viajan nanómetros [mil millonésimas de metro]. Es por eso que no podemos escuchar el calor aun cuando los oídos respondan a las frecuencias de terahercios."
El calor también abarca una amplia gama de frecuencias, continúa explicando, mientras que el sonido se extiende en una única frecuencia. Para hacer frente a eso, "lo primero que hicimos fue reducir el número de frecuencias del calor, la hicimos más bajas", llevando estas frecuencias hacia la zona fronteriza entre el calor y el sonido. “Fabricamos aleaciones de silicio que incorporan nanopartículas de germanio en un rango de tamaño especial que realizaban esta disminución de la frecuencia.”
También se llevó a cabo esta reducción haciendo una serie de delgadas películas del material, de tal manera que la dispersión de los fonones tuviese lugar dentro de esos límites. Esto termina por concentrar la mayoría de los fonones de calor dentro de una relativamente estrecha "ventana" de frecuencias.
Después de aplicar estas técnicas, más del 40 por ciento del flujo total de calor se concentraba en un rango hipersónico de 100 a 300 gigahercios, y la mayoría de los fonones se alineaban en un haz estrecho, en lugar de moverse en todas las direcciones.
A consecuencia de ello, podíamos manupular este haz estrecho de frecuencia fonones utilizando cristales fonónicos de forma similar a la desarrollada para controlar los fonones de sonido. Debido a que estos cristales se están utilizando para controlar el calor, Maldovan se refiere a ellos como "termocristales", una nueva categoría de materiales.
Estos termocristales podrían tener una amplia gama de aplicaciones, en particular, en la mejora de los dispositivos termoeléctricos, que convierten las diferencias de temperatura en electricidad. Estos dispositivos transmiten electricidad libremente con un estricto control del flujo de calor, en dichas tareas los termocristales lograrían una alta eficacia, señala Maldovan.
Mayoría de los materiales convencionales permiten que el calor viaje en todas las direcciones, como unas ondas de expansión de una piedra que cae en un estanque; en vez de eso, los termocristales producirían el equivalente de esas ondas pero moviéndose en una sola dirección. Los cristales, a su vez, se podrían utilizar para crear diodos térmicos: materiales en los que el calor pueden pasar en una sola dirección, pero no a la inversa. Una vía de flujo de calor así podría ser útil en edificios energéticamente eficientes tanto en climas fríos como calientes.
Otras variaciones de este material se podrían utilizar para enfocar el calor, tal como se enfoca la luz con una lente, y concentrarlo en un área pequeña. Otra posibilidad interesante es el camuflaje térmico, según indica Maldovan, los materiales que evitan la detección de calor, unos metamateriales recientemente desarrollados que pueden crear "capas de invisibilidad" para proteger a los objetos de la luz visible o las microondas.
Rama Venkatasubramanian, director senior de investigación en el Center for Solid State Energetics de RTI International, en Carolina del Norte, señala que esto es
A fin de aplicar las técnicas ya desarrolladas para manipular el sonido, el primer paso de Maldovan fue la reducción de la frecuencia de los fonones de calor, para acercarla a la gama del sonido. Él describe esto como "calor hipersónico".
"Los fonones de sonido pueden viajar kilómetros", dice Maldovan, es lo que hace posible escuchar ruidos desde muy lejos. "Pero los fonones de calor sólo viajan nanómetros [mil millonésimas de metro]. Es por eso que no podemos escuchar el calor aun cuando los oídos respondan a las frecuencias de terahercios."
El calor también abarca una amplia gama de frecuencias, continúa explicando, mientras que el sonido se extiende en una única frecuencia. Para hacer frente a eso, "lo primero que hicimos fue reducir el número de frecuencias del calor, la hicimos más bajas", llevando estas frecuencias hacia la zona fronteriza entre el calor y el sonido. “Fabricamos aleaciones de silicio que incorporan nanopartículas de germanio en un rango de tamaño especial que realizaban esta disminución de la frecuencia.”
También se llevó a cabo esta reducción haciendo una serie de delgadas películas del material, de tal manera que la dispersión de los fonones tuviese lugar dentro de esos límites. Esto termina por concentrar la mayoría de los fonones de calor dentro de una relativamente estrecha "ventana" de frecuencias.
Después de aplicar estas técnicas, más del 40 por ciento del flujo total de calor se concentraba en un rango hipersónico de 100 a 300 gigahercios, y la mayoría de los fonones se alineaban en un haz estrecho, en lugar de moverse en todas las direcciones.
A consecuencia de ello, podíamos manupular este haz estrecho de frecuencia fonones utilizando cristales fonónicos de forma similar a la desarrollada para controlar los fonones de sonido. Debido a que estos cristales se están utilizando para controlar el calor, Maldovan se refiere a ellos como "termocristales", una nueva categoría de materiales.
Estos termocristales podrían tener una amplia gama de aplicaciones, en particular, en la mejora de los dispositivos termoeléctricos, que convierten las diferencias de temperatura en electricidad. Estos dispositivos transmiten electricidad libremente con un estricto control del flujo de calor, en dichas tareas los termocristales lograrían una alta eficacia, señala Maldovan.
Mayoría de los materiales convencionales permiten que el calor viaje en todas las direcciones, como unas ondas de expansión de una piedra que cae en un estanque; en vez de eso, los termocristales producirían el equivalente de esas ondas pero moviéndose en una sola dirección. Los cristales, a su vez, se podrían utilizar para crear diodos térmicos: materiales en los que el calor pueden pasar en una sola dirección, pero no a la inversa. Una vía de flujo de calor así podría ser útil en edificios energéticamente eficientes tanto en climas fríos como calientes.
Otras variaciones de este material se podrían utilizar para enfocar el calor, tal como se enfoca la luz con una lente, y concentrarlo en un área pequeña. Otra posibilidad interesante es el camuflaje térmico, según indica Maldovan, los materiales que evitan la detección de calor, unos metamateriales recientemente desarrollados que pueden crear "capas de invisibilidad" para proteger a los objetos de la luz visible o las microondas.
Rama Venkatasubramanian, director senior de investigación en el Center for Solid State Energetics de RTI International, en Carolina del Norte, señala que esto es
"un punto de vista interesante para el control de las diversas frecuencias del espectro de fonones que conducen el calor en un material en estado sólido."
El modelo utilizado para desarrollar este nuevo sistema "tiene que seguir desarrollándose", añade Venkatasubramanian. "La teoría de que las longitudes de onda de los fonones, y las temperaturas, contribuyen a la cantidad de calor transportado es un problema complejo, incluso en los materiales más simples, tanto así en los materiales nanoestructurados, y esto deberá tenerse en cuenta, por lo que este trabajo dará lugar a un gran interés por estudiar en esa dirección."
El modelo utilizado para desarrollar este nuevo sistema "tiene que seguir desarrollándose", añade Venkatasubramanian. "La teoría de que las longitudes de onda de los fonones, y las temperaturas, contribuyen a la cantidad de calor transportado es un problema complejo, incluso en los materiales más simples, tanto así en los materiales nanoestructurados, y esto deberá tenerse en cuenta, por lo que este trabajo dará lugar a un gran interés por estudiar en esa dirección."
- Imagen: Las redes térmicas, aquí mostradas, son una posible aplicación de los termocristales de nuevo desarrollo.
En estas estructuras, donde los espacios de aire están espaciados con precisión (círculos oscuros), controlan el flujo de calor, la energía térmica puede ser "fijada" en su lugar por defectos introducidos en la estructura (áreas de color). Ilustración de Martin Maldovan..
