Una nueva ley natural explica el transporte de calor a escala atómica

MADRID, 19 (SERVIMEDIA)

Científicos del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC) y la Universidad Autónoma de Madrid han descubierto un fenómeno desconocido hasta ahora que cambia la forma de entender y medir cómo se transmite el calor cuando dos superficies están separadas por una distancia de apenas unos átomos.

El trabajo, publicado en 'Nature Communications', propone una nueva ley universal que explica por qué ciertos experimentos parecían contradecir las leyes de la física y allana el camino para avanzar en tecnologías como la termofotovoltaica (que convierte calor en electricidad usando radiación infrarroja), la termografía (que permite medir temperaturas a distancia) o la gestión térmica en electrónica (que permite controlar la temperatura de los dispositivos electrónicos, evitando que se sobrecalienten).

Según explicó el CSIC en una nota, el hallazgo revela que el calor, en lugar de fluir de forma directa, se dispersa de manera difusa cuando atraviesa puentes líquidos invisibles formados por agua en espacios ultrapequeños. Los investigadores descubrieron que el calor no se comporta como se esperaba a escala nanométrica, es decir, en dimensiones millones de veces más pequeñas que un milímetro. El hallazgo clave fue que diminutas cantidades de agua, invisibles a simple vista, pueden formar puentes líquidos entre materiales, alterando tanto las mediciones como el transporte del calor.

Este descubrimiento resuelve una paradoja que llevaba años desconcertando a la comunidad científica y abre la puerta a mejorar el diseño de tecnologías que dependen de un control térmico preciso, como dispositivos electrónicos, paneles solares avanzados y sensores térmicos.

"Desde el punto de vista fundamental, el transporte de calor entre cuerpos que están separados varios nanómetros (la millonésima parte de un milímetro) es extremadamente interesante", explica Óscar Mateos López, investigador en el ICMM-CSIC. "En ese punto hay hasta tres portadores de calor diferentes que pueden influir en los resultados: los electrones, fonones (vibraciones de la red atómica) y fotones (partículas que transportan la luz)", continúa.

El problema surgía cuando se hacían mediciones con superficies aún más cercanas, separadas sólo por unos pocos átomos: los resultados eran extraños y las señales térmicas observadas no coincidían con lo que predecían las leyes físicas conocidas. "Había señales térmicas cuya magnitud no puede explicarse con los métodos estándar de transporte de calor", recuerda Guilherme Vilhena, investigador del ICMM-CSIC. Varios experimentos recientes mostraban anomalías similares, lo que había sembrado dudas sobre qué estaba ocurriendo realmente en estos huecos diminutos.

AGUA

Para resolver este enigma, el equipo diseñó simulaciones por ordenador que mostraban la presencia de moléculas de agua en las superficies metálicas que forman un pequeño puente líquido, conocido como cuello o menisco de agua, cuando ambas se acercan mucho. "Resolvemos esta controversia planteando que existen moléculas de agua en la superficie de ambos cuerpos que se acercan. Se hace un cuello de agua, algo que altera el flujo de calor", señala Vilhena.

Gracias a sus experimentos, los investigadores descubrieron que "el transporte de calor es difuso, y que depende de una relación entre la conductancia y el tamaño del cuello del agua", añade Mateos López. En otras palabras, el calor no se mueve de forma directa ni uniforme, sino que se dispersa, y su paso depende de lo fácil que resulte atravesar el pequeño puente de agua que se forma entre los materiales; si ese puente es estrecho o transmite mal el calor, el proceso se vuelve más lento o irregular.

Esta observación ha permitido definir una nueva ley universal que describe cómo fluye el calor en estos puentes invisibles de agua. "Nos hemos topado con una nueva ley universal de transporte de calor en cuellos de agua", añade Vilhena.

Para el CSIC este hallazgo también puede reinterpretar resultados pasados que se consideraban anómalos. Además, ofrece nuevas formas de estudiar cómo se comportan los líquidos en espacios ultrapequeños, un campo con aplicaciones que van desde la electrónica a la biotecnología. "Este trabajo resuelve este puzzle fundamental y sugiere nuevas vías para la investigación de la conducción del calor en las uniones atómicas y moleculares", concluyen los investigadores