Crean material que puede mover y bloquear el calor

Mover el calor a donde quiera que vaya (agregarlo a casas y secadores de cabello, quitarlo de los motores de los automóviles y refrigeradores) es uno de los grandes desafíos de la ingeniería.

Toda actividad genera calor, porque la energía se escapa de todo lo que hacemos.

Pero demasiado puede desgastar las baterías y los componentes electrónicos, como las piezas de una computadora portátil vieja que se calienta demasiado para sentarla en su regazo.

Si no puede deshacerse del calor, tiene un problema.

Científicos de la Universidad de Chicago han inventado una nueva forma de canalizar el calor a nivel microscópico: un aislante térmico fabricado con una técnica innovadora.

Apilan capas ultradelgadas de láminas cristalinas una encima de la otra, pero giran ligeramente cada capa, creando un material con átomos que están alineados en una dirección pero no en la otra.

“Piense en un cubo de Rubik parcialmente terminado, con capas todas giradas en direcciones aleatorias“, dijo Shi En Kim, un estudiante graduado de la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker que es el primer autor del estudio.

“Lo que eso significa es que dentro de cada capa del cristal, todavía tenemos una red ordenada de átomos, pero si te mueves a la capa vecina, no tienes idea de dónde estarán los siguientes átomos en relación con la capa anterior: los átomos están completamente desordenados en esta dirección“.

El resultado es un material que es extremadamente bueno tanto para contener el calor como para moverlo, aunque en diferentes direcciones, una habilidad inusual a microescala y que podría tener aplicaciones muy útiles en electrónica y otras tecnologías.

“La combinación de excelente conductividad térmica en una dirección y excelente aislamiento en la otra dirección no existe en la naturaleza“, dijo el autor principal del estudio, Jiwoong Park, profesor de química e ingeniería molecular en la Universidad de Chicago.

“Esperamos que esto pueda abrir una dirección completamente nueva para la fabricación de materiales novedosos“.

Los científicos están constantemente en la búsqueda de materiales con propiedades inusuales, porque pueden desbloquear capacidades completamente nuevas para dispositivos como la electrónica, los sensores, la tecnología médica o las células solares.

Por ejemplo, las máquinas de resonancia magnética fueron posibles gracias al descubrimiento de un material extraño que puede conducir perfectamente la electricidad.

El grupo de Park había estado investigando formas de hacer capas extremadamente delgadas de materiales, que tienen solo unos pocos átomos de espesor.

Normalmente, los materiales utilizados para los dispositivos están formados por redes de átomos repetidos extremadamente regulares, lo que hace que sea muy fácil que la electricidad (y el calor) se muevan a través del material.

Pero los científicos se preguntaron qué pasaría si, en cambio, rotaran ligeramente cada capa sucesiva mientras las apilaban.

Midieron los resultados y encontraron que una pared microscópica hecha de este material era extremadamente buena para evitar que el calor se moviera entre los compartimentos.

“La conductividad térmica es increíblemente baja, tan baja como el aire, que sigue siendo uno de los mejores aislantes que conocemos”, dijo Park.

“Eso en sí mismo es sorprendente, porque es muy inusual encontrar esa propiedad en un material que es un sólido denso; esos tienden a ser buenos conductores de calor“.

Pero el punto que fue realmente emocionante para los científicos fue cuando midieron la capacidad del material para transportar calor a lo largo de la pared y descubrieron que podía hacerlo muy fácilmente.

Estas dos propiedades en combinación podrían resultar muy útiles.

Por ejemplo, hacer que los chips de computadora sean cada vez más pequeños genera más y más energía en un espacio pequeño, creando un entorno con una alta “densidad de energía“, un punto de acceso peligroso, dijo Kim.

“Básicamente, estás horneando tus dispositivos electrónicos a niveles de potencia como si los estuvieras poniendo en un horno de microondas“, dijo.

“Uno de los mayores desafíos en la electrónica es cuidar el calor a esa escala, porque algunos componentes de la electrónica son muy inestables a altas temperaturas.

“Pero si podemos usar un material que pueda conducir el calor y aislarlo al mismo tiempo en diferentes direcciones, podemos desviar el calor de la fuente de calor, como la batería, mientras evitamos las partes más frágiles del dispositivo“.

Esa capacidad podría abrir puertas para experimentar con materiales que han sido demasiado sensibles al calor para que los ingenieros los utilicen en electrónica.

Además, crear un gradiente térmico extremo, donde algo está muy caliente en un lado y frío en el otro, es difícil de hacer, particularmente a escalas tan pequeñas, pero podría tener muchas aplicaciones en tecnología.

“Si piensas en lo que hizo el cristal de la ventana por nosotros: poder mantener separadas las temperaturas exterior e interior, puedes hacerte una idea de lo útil que podría ser esto”, dijo Park.

Los científicos solo probaron su técnica de estratificación en un material, llamado disulfuro de molibdeno, pero creen que este mecanismo debería ser generalizado en muchos otros.

“Espero que esto abra una dirección completamente nueva para la fabricación de conductores térmicos exóticos“, dijo Kim.

Fuente: Nature