Tratar el calor del mismo modo que a la luz

Aunque a veces a la radiación infrarroja se la llama calor para simplificar conceptos, no son realmente lo mismo. De un reciente trabajo de investigación y desarrollo ha emergido una fascinante técnica que brinda una nueva vía de manipular el calor, la cual permite controlarlo de modo similar a como se pueden manipular ondas de luz mediante lentes y espejos.

Este método se basa en materiales especiales que constan de cristales de aleación semiconductora nanoestructurada. El calor es una vibración de la materia, técnicamente una vibración de la estructura atómica de un material. El sonido también es una vibración de la materia.

Otro modo de considerar esas vibraciones es como una corriente de fonones. Un fonón es un tipo de "partícula virtual" que es análoga al fotón de la luz.

El nuevo método se basa en una estrategia que es similar a la basada en unos cristales fotónicos recientemente desarrollados que pueden controlar el paso de la luz. Los cristales fonónicos pueden hacer eso mismo para el sonido.

En estos materiales, la separación entre aberturas diminutas está ajustada para que se adecúe a la longitud de onda de los fonones del calor.

Es una forma completamente nueva de manipular el calor, tal como subraya el creador principal de la técnica, Martin Maldovan, del Departamento de Ciencia e Ingeniería de los Materiales en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Cambridge, Estados Unidos. El calor se diferencia del sonido en la frecuencia de sus vibraciones: Las ondas sonoras tal como las entendemos son de frecuencias más bajas (hasta unos cuantos kilohercios, o miles de vibraciones por segundo como mucho), mientras que el calor es resultado de frecuencias muchísimo más altas (del orden de los terahercios, o millones de millones de vibraciones por segundo).

A fin de desarrollar una técnica para manipular el calor, Maldovan se basó en las técnicas ya desarrolladas para manipular el sonido. El primer paso de Maldovan fue reducir la frecuencia de los fonones del calor, acercándola al rango del sonido. Él describe esto como "calor hipersónico".


Aquí se muestran retículas térmicas, que son una posible aplicación de los termocristales recientemente desarrollados. En estas estructuras, donde "huecos" separados unos de otros con una precisión muy cuidada (círculos oscuros) controlan el flujo de calor, la energía térmica puede ser "acorralada" en el lugar deseado mediante "defectos" introducidos dentro de la estructura (áreas coloreadas). (Imagen: Cortesía del equipo de investigación / MIT)

Los fonones del sonido pueden viajar kilómetros, por lo cual es posible escuchar ruidos desde muy lejos. Pero los fonones del calor sólo viajan nanómetros (milmillonésimas de metro). Es por eso que no se podría oír el calor aún disponiendo hipotéticamente de oídos capaces de escuchar en frecuencias del orden de los terahercios.

El calor abarca un rango de frecuencias mucho más amplio que el del sonido. Así que, para hacer frente a eso, lo primero que el equipo de Maldovan hizo fue reducir la cantidad de frecuencias del calor, y hacerlas más bajas, acercándolas a la zona límite entre el calor y el sonido. La obtención de aleaciones especiales de silicio que incorporan nanopartículas de germanio de un determinado rango de tamaños fue decisiva para conseguir esta disminución de frecuencias.

La reducción del rango de frecuencias fue lograda también gracias a la creación de una serie de películas delgadas del material, de modo que la dispersión de los fonones sólo ocurriera en los límites. Esto termina concentrando a la mayoría de los fonones del calor dentro de una "ventana" de frecuencias relativamente estrecha.

Después de aplicar estas técnicas, más del 40 por ciento del flujo total de calor se concentra en un rango hipersónico de 100 a 300 gigahercios, y la mayoría de los fonones se alinean en un haz estrecho, en vez de moverse hacia todas direcciones.

Como resultado, este haz de fonones, cuyo rango de frecuencias es relativamente estrecho, puede ser manipulado usando cristales fonónicos similares a los desarrollados para controlar fonones del sonido. Como estos cristales ahora se están usando para controlar el calor, Maldovan se refiere a ellos como "termocristales", una nueva categoría de materiales.

Estos termocristales podrían tener una amplia gama de aplicaciones, incluyendo mejores dispositivos termoeléctricos, los cuales convierten diferencias de temperatura en electricidad.

La mayoría de los materiales convencionales permiten que el calor viaje en todas direcciones, como ondas que se expanden desde el lugar donde ha caído una piedra en un estanque. Los termocristales podrían en cambio producir el equivalente a que esas ondas sólo se movieran en una sola dirección. Los cristales también se podrían usar para crear diodos térmicos, o sea materiales en los que el calor puede pasar en una dirección, pero no en la dirección opuesta. Esos flujos de calor de un solo sentido podrían ser útiles para lograr edificios energéticamente eficientes, tanto con un clima cálido como con un clima frío.

Se podrían usar otras variaciones del material para enfocar el calor, de modo similar a como se enfoca la luz con una lente, para concentrarlo en un área pequeña.

Otra posibilidad interesante es la invisibilidad térmica: Desarrollar materiales que por su propia naturaleza intrínseca impidan la detección del calor, de manera parecida a cómo ciertos metamateriales desarrollados en años recientes permiten crear "capas de invisibilidad" para impedir detectar objetos mediante la luz visible o las microondas.

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