El calor es esa cosa que encuentras todos los días: tu café se enfría, tu portátil se calienta y el sol convierte la Tierra en una pizza gigante. Pero acércate a distancias más pequeñas que un cabello humano, y el calor empieza a actuar como si se hubiera saltado el memo de la física.

Investigadores de la Universidad Carnegie Mellon, Stanford y Purdue han demostrado ahora un potente nuevo método para controlar el calor a nanoescala, publicado en Nature. Han proporcionado sólidas pruebas experimentales de que la transferencia de calor puede ser intencionalmente diseñada y significativamente mejorada utilizando metamateriales especialmente diseñados.

La clave es un fenómeno llamado transferencia de calor radiativa de campo cercano. Cuando dos objetos están separados por solo unos cientos de nanómetros, el calor puede atravesar el hueco mediante ondas electromagnéticas, de manera mucho más eficiente que si simplemente lo dejaras irradiar como un buen ciudadano térmico.

Los científicos saben esto desde hace años, pero demostrar que se puede aumentar drásticamente ha sido un desafío. Entran los metamateriales: materiales diseñados con estructuras microscópicas repetitivas que interactúan con la energía de formas altamente controladas.

“Diseñamos estructuras microscópicas de oro sobre membranas delgadas y las colocamos cara a cara a través de un hueco nanométrico”, dijo Sheng Shen, profesor de ingeniería mecánica en Carnegie Mellon y autor principal. “Esto aumentó la transferencia de calor hasta cuatro veces en comparación con configuraciones similares sin metamateriales, mucho más allá de lo que la física tradicional predeciría a distancias mayores”.

No se trata solo de añadir más rutas de calor. Las estructuras de oro interactúan con ondas de energía naturales en el material, llamadas fonones polaritones de superficie, creando un efecto de resonancia. “Estas vibraciones acopladas permiten que la energía se mueva más libre y eficientemente a través del hueco”, dijo Zexiao Wang, estudiante de doctorado y co-primer autor.

“Es un efecto cooperativo”, añadió Shen. “Las estructuras y el material se amplifican mutuamente”.

Las aplicaciones potenciales incluyen un mejor enfriamiento para chips de computadora cada vez más pequeños y calientes, sistemas termofotovoltaicos mejorados que convierten el calor en electricidad, y detección infrarroja más precisa para todo, desde monitoreo ambiental hasta seguridad nacional.

Por ahora, todo esto funciona bajo condiciones de laboratorio cuidadosamente controladas a nanoescala, pero marca un paso de la teoría a la demostración en el mundo real. “Si el calor puede diseñarse con la misma precisión que la electricidad o la luz, podría abrir la puerta a una nueva clase de tecnologías construidas no solo para soportar el calor, sino para aprovecharlo”, dijo Shen.

El trabajo fue apoyado por la Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa, la Fundación Nacional de Ciencias y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea. Los autores correspondientes son Sheng Shen y Shanhui Fan. Zexiao Wang, Renwen Yu y Hakan Salihoglu contribuyeron por igual.