Investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía, en complicidad con la Universidad Estatal de Ohio y Amphenol Corporation, han descubierto que aplicar un campo eléctrico a un material cerámico puede hacer que el calor fluya casi tres veces más eficientemente en una dirección. Los hallazgos, publicados en PRX Energy, desafían todo lo que creíamos saber sobre el transporte de calor —o al menos, desafían algunas suposiciones arraigadas.

El secreto está en los fonones, esas diminutas vibraciones atómicas que transportan el calor como un metro muy pequeño y muy concurrido. Cuando se aplica un campo eléctrico, los fonones que vibran en la misma dirección que el campo viven más tiempo y viajan más lejos, mientras que los que vibran lateralmente simplemente se rinden. ¿El resultado? El calor se desplaza a lo largo de la dirección del campo casi tres veces más rápido que en otras direcciones.

“Poder controlar tanto la velocidad como la forma en que fluye el calor podría conducir a dispositivos que gestionen la energía térmica de manera mucho más eficiente”, dijo Puspa Upreti, investigadora postdoctoral asociada de ORNL, en un tono que sugiere que ya está soñando con mejores sistemas de refrigeración.

El equipo utilizó una clase de cerámicas llamadas ferroeléctricos basados en relajadores, que son básicamente los chicos geniales del mundo de los materiales: cuando se exponen a un campo eléctrico, sus diminutas cargas eléctricas se alinean y dejan de dispersar los fonones. Para ver lo que realmente estaba sucediendo, desplegaron la dispersión avanzada de neutrones inelásticos en la Fuente de Neutrones por Espalación, porque cuando quieres ver vibrar los átomos, sacas los grandes cañones de neutrones.

“Trabajos anteriores sobre materiales ferroeléctricos en masa lograron mejoras modestas en la conductividad térmica del 5% al 10%, mientras que las nuevas mediciones revelan una mejora cercana al 300%”, dijo Michael Manley, investigador senior de ORNL, quien dirigió los experimentos. Eso es un aumento de tres veces, lo que sorprendió incluso a los investigadores, que aparentemente esperaban algo más como un empujón cortés.

El difunto profesor Joseph Heremans de Ohio State, quien diseñó los experimentos de conductividad térmica, habría estado orgulloso. Su candidato doctoral Delaram Rashadfar señaló: “El profesor Heremans siempre enfatizó la importancia de confiar primero en los datos y dejar que la teoría siguiera”. Sabio consejo, especialmente cuando los datos dicen: “Oye, acabamos de triplicar el flujo de calor”.

Este avance podría conducir a sistemas de refrigeración de estado sólido, convertidores de calor a electricidad y mejores electrónicos basados en chips, básicamente cualquier cosa que se caliente demasiado y necesite calmarse. La investigación fue apoyada por el programa de Ciencias Básicas de la Energía del DOE, porque aparentemente incluso el gobierno quiere que sus electrónicos dejen de sobrecalentarse.