Ingeniería
Controlar el flujo de calor de modo similar a como se controla la corriente eléctrica
Si se pudiera controlar el flujo de calor con la facilidad con que se controla una corriente eléctrica, una revolución sin precedentes cambiaría el campo de la calefacción y el de la refrigeración, y también infinidad de enseres que de un modo u otro se ven afectados por flujos de calor en direcciones no deseadas, desde ropa hasta CPUs. Ahora se ha ideado una nueva tecnología que, si funciona del modo esperado, podría permitir controlar el flujo de calor de una manera muy parecida al modo en que la corriente eléctrica es controlada mediante diversos tipos de dispositivos, un avance que podría hacer posible el sueño antes comentado y que tendría infinidad de aplicaciones prácticas.
El nuevo concepto se basa en utilizar unas estructuras triangulares diminutas para controlar los “fonones”, definibles aquí como las partículas virtuales que transportan el calor, o más concretamente las vibraciones subyacentes, a través de la estructura cristalina de un material.
El equipo de Xiulin Ruan, de la Escuela de Ingeniería Mecánica y el Centro Birck de Nanotecnología, adscritos a la Universidad Purdue en West Lafayette, Indiana, Estados Unidos, trabajó con simulaciones avanzadas, y los resultados de éstas indican que las estructuras triangulares o en forma de “T”, si son lo bastante pequeñas en anchura, son capaces de "rectificación térmica", o sea de permitir un flujo mayor de calor en una dirección que en la opuesta.
La rectificación en la electricidad ha hecho posible los transistores, los diodos y los circuitos de memoria, componentes todos ellos fundamentales en la electrónica. Los nuevos dispositivos son rectificadores térmicos que podrían realizar la misma función, pero con fonones en vez de con corriente eléctrica.
La rectificación térmica no se observa en estructuras de forma triangular más grandes porque carecen de confinamiento lateral. Para que se produzca confinamiento lateral, la sección de la estructura debe ser mucho más pequeña que el camino libre medio de un fonón, o sólo de unos pocos a unos cientos de nanómetros, dependiendo del material.
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Los investigadores proponen una nueva tecnología que controla el flujo de calor de una manera parecida al modo en que los dispositivos electrónicos controlan la corriente eléctrica. Se han propuesto nanocintas triangulares de grafeno (a) como nuevo rectificador de calor. En dicho rectificador, el flujo de calor en una dirección es mayor que en la dirección opuesta. La rectificación térmica (b) no está limitada al grafeno, sino que también puede verse en materiales nanoestructurados asimétricos, incluyendo películas delgadas, puntos cuánticos piramidales, nanoconos y nanotriángulos. (Imagen: Universidad Purdue)
Sin embargo, aunque los dispositivos deben ser diminutos, podrían estar enlazados en serie para obtener estructuras más grandes y un mejor rendimiento de rectificación.
En la mayoría de los sistemas, el flujo de calor es igual en ambas direcciones, así que no hay dispositivos térmicos como los diodos eléctricos. No obstante, si se dispone de la capacidad descrita para controlar el flujo de calor como se controla a la electricidad utilizando diodos, entonces será posible construir muchos nuevos y espectaculares aparatos, incluyendo interruptores o conmutadores para calor, así como transistores, puertas lógicas y hasta memorias, para procesar calor en vez de electricidad.
Este fascinante campo es por ahora teórico, y apenas está comenzando a ser explorado, por lo que las aplicaciones prácticas citadas aún están lejos en nuestro horizonte tecnológico. Sin embargo, las posibilidades planteadas podrían revolucionar muchas facetas de la tecnología hasta extremos que no mucho tiempo atrás se habrían considerado exclusivos de la ciencia-ficción.
El concepto podría encontrar usos en aplicaciones de “gestión térmica” para ordenadores y electrónica, edificios e incluso ropa. Por ejemplo, en una noche invernal no querremos que un edificio pierda rápidamente calor hacia el exterior, mientras que durante el día desearemos que el edificio se caliente mediante el sol, de manera que sería bueno tener materiales de construcción que permitan el flujo de calor en una dirección, pero no en la otra.
En la investigación también han intervenido Yong Chen, Yan Wang, Ajit Vallabhaneni, Jiuning Hu y Bo Qiu, todos de la Universidad Purdue. La investigación ha sido financiada por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea estadounidense.
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El nuevo concepto se basa en utilizar unas estructuras triangulares diminutas para controlar los “fonones”, definibles aquí como las partículas virtuales que transportan el calor, o más concretamente las vibraciones subyacentes, a través de la estructura cristalina de un material.
El equipo de Xiulin Ruan, de la Escuela de Ingeniería Mecánica y el Centro Birck de Nanotecnología, adscritos a la Universidad Purdue en West Lafayette, Indiana, Estados Unidos, trabajó con simulaciones avanzadas, y los resultados de éstas indican que las estructuras triangulares o en forma de “T”, si son lo bastante pequeñas en anchura, son capaces de "rectificación térmica", o sea de permitir un flujo mayor de calor en una dirección que en la opuesta.
La rectificación en la electricidad ha hecho posible los transistores, los diodos y los circuitos de memoria, componentes todos ellos fundamentales en la electrónica. Los nuevos dispositivos son rectificadores térmicos que podrían realizar la misma función, pero con fonones en vez de con corriente eléctrica.
La rectificación térmica no se observa en estructuras de forma triangular más grandes porque carecen de confinamiento lateral. Para que se produzca confinamiento lateral, la sección de la estructura debe ser mucho más pequeña que el camino libre medio de un fonón, o sólo de unos pocos a unos cientos de nanómetros, dependiendo del material.
Los investigadores proponen una nueva tecnología que controla el flujo de calor de una manera parecida al modo en que los dispositivos electrónicos controlan la corriente eléctrica. Se han propuesto nanocintas triangulares de grafeno (a) como nuevo rectificador de calor. En dicho rectificador, el flujo de calor en una dirección es mayor que en la dirección opuesta. La rectificación térmica (b) no está limitada al grafeno, sino que también puede verse en materiales nanoestructurados asimétricos, incluyendo películas delgadas, puntos cuánticos piramidales, nanoconos y nanotriángulos. (Imagen: Universidad Purdue)
Sin embargo, aunque los dispositivos deben ser diminutos, podrían estar enlazados en serie para obtener estructuras más grandes y un mejor rendimiento de rectificación.
En la mayoría de los sistemas, el flujo de calor es igual en ambas direcciones, así que no hay dispositivos térmicos como los diodos eléctricos. No obstante, si se dispone de la capacidad descrita para controlar el flujo de calor como se controla a la electricidad utilizando diodos, entonces será posible construir muchos nuevos y espectaculares aparatos, incluyendo interruptores o conmutadores para calor, así como transistores, puertas lógicas y hasta memorias, para procesar calor en vez de electricidad.
El concepto podría encontrar usos en aplicaciones de “gestión térmica” para ordenadores y electrónica, edificios e incluso ropa. Por ejemplo, en una noche invernal no querremos que un edificio pierda rápidamente calor hacia el exterior, mientras que durante el día desearemos que el edificio se caliente mediante el sol, de manera que sería bueno tener materiales de construcción que permitan el flujo de calor en una dirección, pero no en la otra.
En la investigación también han intervenido Yong Chen, Yan Wang, Ajit Vallabhaneni, Jiuning Hu y Bo Qiu, todos de la Universidad Purdue. La investigación ha sido financiada por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea estadounidense.
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