La conducción y la radiación térmica son dos formas en que el calor se transfiere de un objeto a otro: la conducción es el proceso por el cual el calor fluye entre objetos en contacto físico, como una tetera sobre una estufa caliente, mientras que la radiación térmica describe el flujo de calor a través de grandes distancias, como el calor emitido por el sol.
Estos dos procesos fundamentales de transferencia de calor explican cómo se desplaza la energía a distancias microscópicas y macroscópicas. Sin embargo, a los investigadores les ha resultado difícil determinar cómo fluye el calor a través de separaciones intermedias.
Ahora, investigadores del MIT, la University of Oklahoma y Rutgers University han desarrollado un modelo que explica cómo fluye el calor entre objetos separados por distancias inferiores a un nanómetro. El equipo ha desarrollado un marco unificado que calcula el transporte de calor a distancias finitas y ha demostrado que, a distancias subnanométricas, el calor no fluye mediante radiación ni conducción, sino a través del «tunelamiento de fonones».
Los fonones representan unidades de energía producidas por los átomos que vibran en una red cristalina. Por ejemplo, un cristal de sal de mesa contiene átomos de sodio y cloro dispuestos en una estructura reticular. En conjunto, los átomos vibran y generan ondas mecánicas capaces de transportar calor a través de la red.
Normalmente, estas ondas, o fonones, solo pueden transportar calor dentro de los materiales, no entre ellos. Sin embargo, la nueva investigación demuestra que los fonones pueden atravesar una separación de apenas un nanómetro, «tunelando» de un material a otro para aumentar el transporte de calor.
Los investigadores creen que el tunelamiento de fonones explica la mecánica física del transporte de energía a esta escala, que no puede atribuirse claramente ni a la conducción ni a la radiación.
«Esto se encuentra justo en el régimen en el que se difumina la distinción entre conducción y radiación», afirma Vazrik Chiloyan, estudiante de posgrado en ingeniería mecánica del MIT. «Intentamos obtener una imagen clara de la física en este régimen. Ahora hemos reunido información para demostrar que, de hecho, lo que ocurre en la transferencia de calor es el tunelamiento».
Chiloyan y Gang Chen, profesor Carl Richard Soderberg de Ingeniería Energética y director del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, publican sus resultados esta semana en Nature Communications.
Aclarar el panorama térmico
En las últimas décadas, los investigadores han intentado definir el transporte de calor a distancias cada vez menores. Varios grupos, incluido el de Chen, han medido experimentalmente el flujo de calor por radiación térmica a través de separaciones de apenas decenas de nanómetros. Sin embargo, a medida que los experimentos reducen aún más el espacio, los investigadores han cuestionado la validez de las teorías actuales: los modelos existentes se han basado en gran medida en teorías de la radiación térmica que, según Chiloyan, «difuminaban el detalle atómico» y simplificaban en exceso el flujo de calor de un átomo a otro.
En cambio, existe una teoría de la conducción del calor —conocida como funciones de Green— que describe el flujo de calor a nivel atómico en materiales en contacto. Esta teoría permite a los investigadores calcular la frecuencia de las vibraciones que pueden propagarse a través de la interfaz entre dos materiales.
«Pero con las funciones de Green, las interacciones entre átomos tienden a desaparecer después de unos pocos vecinos. … Se predeciría artificialmente que la transferencia de calor es cero después de unas pocas separaciones atómicas», afirma Chiloyan. «Para predecir realmente la transferencia de calor a través de la separación, hay que incluir fuerzas electromagnéticas de largo alcance».
Por lo general, las fuerzas electromagnéticas pueden describirse mediante las ecuaciones de Maxwell, un conjunto de cuatro ecuaciones fundamentales que establecen el comportamiento de la electricidad y el magnetismo. Sin embargo, para explicar la transferencia de calor a escala microscópica, Chiloyan y Chen tuvieron que recurrir a una forma menos conocida: las ecuaciones microscópicas de Maxwell.
«Probablemente, la mayoría de la gente no sabe que existe una ecuación microscópica de Maxwell, y tuvimos que llegar a ese nivel para conectar la imagen atómica», afirma Chen.
Tender un puente a través de la separación
El equipo desarrolló un modelo del transporte de calor basado tanto en las funciones de Green como en las ecuaciones microscópicas de Maxwell. Los investigadores utilizaron el modelo para predecir el flujo de calor entre dos redes de cloruro de sodio, o sal de mesa, separadas por una distancia de un nanómetro.
Con el modelo, Chiloyan y Chen pudieron calcular y sumar los campos electromagnéticos emitidos por átomos individuales, según sus posiciones y las fuerzas en cada red. Aunque las vibraciones atómicas, o fonones, normalmente no pueden transportar calor a distancias superiores a unos pocos átomos, el equipo descubrió que la fuerza electromagnética combinada de los átomos puede crear un «puente» que permite el paso de los fonones.
Al modelar el flujo de calor entre dos redes de cloruro de sodio, los investigadores descubrieron que el calor fluía de una red a otra mediante el tunelamiento de fonones cuando las separaciones eran de un nanómetro o menos.
«Las separaciones subnanométricas constituyen un régimen para el que carecemos del lenguaje adecuado», afirma Chen. «Ahora hemos desarrollado un marco para explicar esta transición fundamental y tender un puente a través de esa separación».
«En todos los libros de texto sobre transferencia de calor, los estudiantes universitarios aprenden que hay tres tipos distintos de transferencia de calor: convección, conducción o radiación. Esta es una de las muchas leyes bien establecidas que no necesariamente son válidas a escala nanométrica», afirma Jean-Jacques Greffet, profesor de física en Paris-Sud University, quien no participó en la investigación. «El hallazgo del grupo aclara nuestra comprensión física de los procesos físicos [y] arroja nueva luz sobre el problema de la resistencia de contacto entre dos materiales en estrecho contacto. Se trata de una cuestión de importancia práctica para muchas aplicaciones».
Este artículo se publica en colaboración con MIT News. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde estas opiniones.
Para mantenerse al día con Forum:Agenda, suscríbase a nuestro boletín semanal.
Autora: Jennifer Chu es colaboradora invitada de MIT News.
Imagen: Esta ilustración muestra fonones que «tunelean» de una red de cloruro de sodio a otra. Ilustración: Jose-Luis Olivares/MIT.
