Un nuevo régimen de transporte de calor hace que fluya lentamente como la miel, e incluso en sentido contrario al esperado
Un estudio liderado por investigadores del Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2), la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), la Universidad Politécnica de Eindhoven (TU/e, Países Bajos) y la Universidad McGill (Canadá), describe un nuevo régimen de transporte de calor en materiales bidimensionales con propiedades sorprendentes: calor que fluye lentamente como la miel, e incluso en sentido contrario al esperado, de zonas frías a calientes. Los hallazgos, publicados hoy en Nature Physics, abren la puerta a nuevas maneras de controlar el flujo de calor sin alterar la estructura de los materiales, con aplicaciones potenciales en la gestión térmica y la conversión de energía termoeléctrica.
Controlar el flujo de calor es un gran reto para muchas tecnologías. En dispositivos electrónicos y fotónicos, por ejemplo, la disipación de calor puede limitar el rendimiento y la eficiencia, así como su potencial para una futura miniaturización. Al mismo tiempo, los materiales bidimensionales (2D), formados por capas de sólo unos pocos átomos de grosor, han emergido como una plataforma prometedora en estos campos. Por ejemplo, se espera que los semiconductores 2D se utilicen en canales de conducción de futuros transistores. Sin embargo, su comportamiento térmico sigue siendo difícil de predecir y controlar.
Un equipo internacional liderado por investigadores del Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2), la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), la Universidad Politécnica de Eindhoven (TU/e, Países Bajos) y la Universidad McGill (Canadá) ha descubierto un nuevo régimen de transporte de calor en materiales ultrafinos. El estudio muestra que en semiconductores 2D, en particular el disulfuro de molibdeno (MoS₂) y el diselenuro de molibdeno (MoSe₂), el calor puede comportarse de una manera completamente nueva, conocida como transporte hidrotermoelástico, donde la difusión térmica se ve muy dificultada. Estos hallazgos, publicados en Nature Physics, podrían tener un impacto significativo en el desarrollo de nuevas estrategias para la gestión térmica en dispositivos.
Una combinación de fenómenos inesperados
En condiciones normales, el calor se propaga gradualmente desde regiones calientes hacia zonas frías. Sin embargo, en estos materiales ultrafinos, se producen efectos más complejos. Como señala Sebin Varghese, de la Universidad de Eindhoven y primer autor del artículo: "Nuestros resultados desafían la imagen convencional del transporte difusivo de calor y revelan un mecanismo de transporte más rico y complejo en semiconductores ultrafinos." Uno de los efectos que se produce es el que se denomina hidrodinámica de los fonones, donde el calor se transporta colectivamente y se comporta como un fluido viscoso similar a la miel. Al mismo tiempo, el calentamiento induce deformaciones mecánicas en el material, que a su vez afectan al desplazamiento del calor. Aunque estos tipos de efectos ya eran conocidos, nunca se habían observado en este tipo de materiales.
La interacción de estos fenómenos provoca un comportamiento inesperado: el calor se propaga mucho más lentamente de lo previsto, con la difusividad térmica — la magnitud que indica la rapidez con que se propaga en un material — reducida hasta diez veces. Para llegar a estas conclusiones, los investigadores utilizaron una técnica optotérmica avanzada que les permitió seguir el flujo de calor en tiempo real con resolución nanométrica. El profesor del Departamento de Física de la UAB F. Xavier Alvarez, que lideró la parte teórica del trabajo, señala que "por primera vez, observamos cómo el esfuerzo mecánico puede redirigir —e incluso obstruir— el flujo de calor en un material."
¿El calor puede fluir "en sentido contrario"?
Los experimentos muestran que, en estos materiales ultrafinos, el calor tiende a mantenerse concentrado alrededor de la región calentada más tiempo del previsto. Esto ocurre porque el calentamiento provoca deformaciones del material que alteran la manera en que el calor se mueve a través del material, incluso empujando el flujo de calor en direcciones inesperadas.
Como explica el profesor Klaas-Jan Tielrooij (ICN2 y TU/e), que lideró el estudio: «Lo que más nos sorprendió es que el calor puede, bajo ciertas condiciones, resistir salir de la región caliente, lo que se debe a las contribuciones al flujo de calor que apuntan de regiones frías a calientes, en lugar del flujo convencional que apunta de zonas calientes a frías. Esto abre una manera completamente nueva de controlar el flujo de calor de manera intrínseca, sin necesidad de modificar la estructura del material."
Este descubrimiento aporta una nueva visión fundamental sobre cómo se transporta el calor a escala nanométrica y podría abrir el camino para diseñar dispositivos electrónicos, fotónicos y térmicos con nuevas funcionalidades. La capacidad de controlar el calor, en lugar de simplemente disiparla, podría ser clave para futuras tecnologías que permitan desde mejorar la gestión térmica de los chips hasta hacer los sistemas termoeléctricos más eficientes.