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 demasiada puede desgastar las baterías y los componentes electrónicos, como las piezas de una computadora portátil vieja que se calienta demasiado para sentarse en su regazo. Si no puede obtenerdeshacerse 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 ultrafinas de láminas cristalinas una encima de la otra, pero rotan cada capa.ligeramente, 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 y el primer autor del estudio. "Lo que eso significa esque 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 a lo largo de estadirección."
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 absoluto en la naturaleza", dijo el autor principal del estudio, Jiwoong Park, profesor de química e ingeniería molecular en la Universidad de Chicago. "Esperamosesto podría abrir una dirección completamente nueva para la fabricación de materiales novedosos ".
'Simplemente increíblemente bajo'
Los científicos están constantemente en la búsqueda de materiales con propiedades inusuales, porque pueden desbloquear capacidades completamente nuevas para dispositivos como electrónica, sensores, tecnología médica o células solares. Por ejemplo, las máquinas de resonancia magnética fueron posibles gracias al descubrimiento de un material extrañoque 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 para la electricidady calor para moverse a través del material. Pero los científicos se preguntaron qué sucedería si, en cambio, rotaran ligeramente cada capa sucesiva mientras las apilaban.
Midieron los resultados y descubrieron 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 aislanteslo sabemos ", 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 la pared, y descubrí que podía hacerlo muy fácilmente.
Esas dos propiedades en combinación podrían ser muy útiles. Por ejemplo, hacer que los chips de computadora sean cada vez más pequeños da como resultado más y más energía en un espacio pequeño, creando un entorno con una alta "densidad de potencia", un punto de acceso peligroso, dijoKim.
"Básicamente estás horneando tus dispositivos electrónicos a niveles de potencia como si los estuvieras poniendo en un horno microondas", dijo. "Uno de los mayores desafíos en la electrónica es cuidar el calor a esa escala, porque algunos componentesde la electrónica son muy inestables a altas temperaturas.
"Pero si podemos usar un material que pueda conducir el calor y aislar el calor al mismo tiempo en diferentes direcciones, podemos desviar el calor de la fuente de calor, como la batería, evitando las partes más frágiles deel dispositivo."
Esa capacidad podría abrir las puertas para experimentar con materiales que han sido demasiado sensibles al calor para que los ingenieros los usen 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 piensa en lo que hizo el cristal de la ventana por nosotros, poder mantener separadas las temperaturas exterior e interior, puede tener 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.
La investigación utilizó el Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales de la Universidad de Chicago y la Instalación de Nanofabricación Pritzker.
Otros coautores fueron los estudiantes graduados de UChicago Fauzia Mujid y Preeti Poddar; los becarios postdoctorales Chibeom Park ahora en el Samsung Electronics Semiconductor Research Center, Joonki Suh ahora en UNIST y Yu Zhong; así como David Cahill y Akash Rai con la Universidadde Illinois en Urbana-Champaign, Paul Erhart, Fredrik Eriksson y Erik Fransson de la Universidad de Tecnología de Chalmers en Suecia, y David Muller y Ariana Ray de la Universidad de Cornell.
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