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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 unas sobre otras, pero rotan ligeramente cada capa, creando un material con átomos alineados en una dirección pero no en la otra.
"Piensa en un cubo de Rubik parcialmente terminado, con capas giradas en direcciones aleatorias", explica Shi En Kim, estudiante de posgrado de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular y primer autor del estudio. "Lo que esto significa es que, dentro de cada capa del cristal, seguimos teniendo un entramado ordenado de átomos, pero si nos desplazamos a la capa vecina, no tenemos ni idea de dónde estarán los siguientes átomos en relación con la capa anterior: los átomos están completamente desordenados a lo largo de esta dirección".
El resultado es un material que es extremadamente bueno tanto para contener el calor como para moverlo, aunque en diferentes direcciones, una capacidad inusual en la microescala, y que podría tener aplicaciones muy útiles en electrónica y otras tecnologías.
"La combinación de una excelente conductividad térmica en una dirección y un excelente aislamiento en la otra no existe en absoluto en la naturaleza", afirma el autor principal del estudio, Jiwoong Park, profesor de química e ingeniería molecular de la Universidad de Chicago. "Esperamos que esto pueda abrir una dirección totalmente nueva para fabricar materiales novedosos".
Un nivel asombrosamente bajo
Los científicos están constantemente a 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 extraño material que puede conducir perfectamente la electricidad.
El grupo de Park había estado investigando formas de fabricar capas extremadamente finas de materiales, de apenas unos átomos de grosor. Normalmente, los materiales utilizados para los dispositivos están formados por entramados de átomos extremadamente regulares y repetitivos, lo que hace que la electricidad (y el calor) se desplacen con mucha facilidad a través del material. Pero los científicos se preguntaron qué ocurriría si, en lugar de eso, giraban 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 la del aire, que sigue siendo uno de los mejores aislantes que conocemos", afirma 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 del calor".
Pero el punto realmente emocionante para los científicos fue cuando midieron la capacidad del material para transportar el calor a lo largo de la pared, y descubrieron que podía hacerlo muy fácilmente.
Estas dos propiedades combinadas podrían ser muy útiles. Por ejemplo, si los chips de los ordenadores son cada vez más pequeños, la energía que circula por un espacio reducido es cada vez mayor, lo que crea un entorno con una elevada "densidad de potencia", un peligroso punto caliente, explica Kim.
"Básicamente, estás horneando tus dispositivos electrónicos a niveles de potencia como si los pusieras en un horno de microondas", dijo. "Uno de los mayores retos de la electrónica es ocuparse del calor a esa escala, porque algunos componentes de la electrónica son muy inestables a altas temperaturas."
"Pero si podemos utilizar un material que pueda conducir el calor y aislarlo al mismo tiempo en diferentes direcciones, podremos desviar el calor de la fuente de calor -como la batería- y evitar las partes más frágiles del dispositivo".
Esta capacidad podría abrir las puertas a la experimentación con materiales que han sido demasiado sensibles al calor para que los ingenieros los utilicen en la electrónica. Además, crear un gradiente térmico extremo -en el que algo está muy caliente en un lado y frío en el otro- es difícil de hacer, sobre todo a escalas tan pequeñas, pero podría tener muchas aplicaciones en tecnología.
"Si pensamos en lo que el cristal de la ventana hizo por nosotros -mantener separadas las temperaturas del exterior y del interior- podemos hacernos 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 general en muchos otros. "Espero que esto abra una nueva vía para fabricar conductores térmicos exóticos", dijo Kim.
Fuentes, créditos y referencias:
Shi En Kim et al, Extremely anisotropic van der Waals thermal conductors, Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03867-8
Imagen: Las torsiones aleatorias entre las capas de láminas cristalinas bloquean el calor que atraviesa las capas, pero siguen manteniendo un buen flujo de calor a lo largo de las láminas. Los investigadores miden un asombroso factor de 900 en la diferencia del flujo de calor. Crédito: Neuroncollective.com, Daniel Spacek, Pavel Jirak / Universidad de Chalmers