Un trabajo internacional coliderado por el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), y la Universidad de Colorado Boulder (EE. UU.), con la participación de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), ha descubierto que el vidrio, en su nivel atómico (es decir, cuando se estira hasta formar un hilo de un solo átomo de grosor), se convierte en un conductor de calor excepcional: alcanza el 40 % del límite cuántico, el máximo absoluto que permite la física
El avance de nuevas tecnologías electrónicas y cuánticas hace embudo en el calor: una parte importante de la energía que consumen estos sistemas se va solo en refrigerarlos. Por ello, personal investigador de todo el mundo trabaja para encontrar una solución. Y esa solución parece estar donde nadie la buscaba: en un material que es aislante térmico, el vidrio.
Un trabajo internacional coliderado por el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), y la Universidad de Colorado Boulder (EE. UU.), con la participación de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), ha descubierto que el vidrio, en su nivel atómico (es decir, cuando se estira hasta formar un hilo de un solo átomo de grosor), se convierte en un conductor de calor excepcional: alcanza el 40 % del límite cuántico, el máximo absoluto que permite la física. Es decir, el vidrio permite un flujo de calor «muy superior al que se había medido hasta ahora en cualquier aislante de este tamaño», explica Guilherme Vilhena, investigador del CSIC en el ICMM y coautor principal del trabajo, que acaba de ser publicado en la revista Nature Nanotechnology.
«Hemos descubierto que el vidrio transporta diez veces más calor que cualquier otro aislante eléctrico medido a esta escala. Se trata de un récord hasta el momento», añade Pablo Martínez, investigador predoctoral del ICMM-CSIC y la UAM y uno de los primeros autores del estudio. «Hasta día de hoy, el transporte de calor en aislantes a estas escalas atómicas estaba limitado a valores diez veces menores», enfatiza.
El trabajo combina el enfoque teórico del ICMM-CSIC y del grupo de Juan Carlos Cuevas, en la UAM, con el experimental de Longji Cui, en la Universidad de Colorado Boulder, en cuyos laboratorios se realizaron los experimentos. Los investigadores explican que nunca se había encontrado «un sistema físico que fuera tan transparente al paso del calor».
El punto, además, es que se trata «del sistema que menos esperarías, pues es un aislante térmico», agrega Óscar Mateos, investigador predoctoral del ICMM-CSIC y la UAM que, de hecho, actualmente está haciendo una estancia en Colorado Boulder. El vidrio es el material al que recurrimos para retener el calor: ventanas de doble acristalamiento, puertas de horno, termos. La ‘sorpresa’ ha llegado cuando han descubierto que, al estirar ese mismo vidrio hasta formar un hilo de un solo átomo de grosor, éste se comporta al revés y deja pasar el calor con una eficiencia sin precedentes.
Un hito en nanociencia
Para conseguir estas conclusiones, el equipo ha trabajado con un sistema de vidrio, que se diferencia del cristal por tener una estructura de átomos desordenados, basado en sílice. «Es uno de los materiales más comunes en los laboratorios de todo el mundo, por lo que tecnológicamente es un material muy relevante», indica Martínez. Además, el dióxido de silicio, componente principal del vidrio, es uno de los aislantes más utilizados en el interior de los chips.
El tamaño aquí no es baladí: el trabajo ha explorado los límites de la conducción de calor a escala atómica ya que la llamada miniaturización electrónica (es decir, hacer los componentes tecnológicos cada vez más pequeños) depende de estos avances: «Entender el transporte de calor a este nivel atómico es fundamental para poder avanzar hacia nuevas tecnologías más eficientes», explica Vilhena.
De hecho, los chips semiconductores que ya componen cualquier aparato electrónico están basados en sistemas nanoscópicos (miles de veces más pequeños que el grosor de un pelo humano), por lo que los resultados a estas escalas son esenciales. «No sabemos cómo el calor se propaga entre los átomos, hay mucho potencial para explorar aquí», coinciden los investigadores, que celebran que estos resultados son «un hito en la nanociencia».
Los autores consideran que el trabajo sienta las bases de un nuevo campo, la fonónica atómica: controlar las vibraciones de los átomos, que transportan el calor en los aislantes, con la misma precisión con la que hoy se controlan los electrones. A largo plazo, eso abriría la puerta a diodos y transistores térmicos, capaces de dirigir el calor como hoy se dirige la corriente eléctrica. «Esperamos que nuestro enfoque ofrezca una nueva plataforma experimental y, a largo plazo, permita el diseño de dispositivos de alto rendimiento», concluyen los investigadores.
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