18/04/2016 - Registran a escala nanométrica el desplazamiento del calor a través de los materiales

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Investigadores de la Universidad de Minnesota han registrado por primera vez en vídeo cómo el calor se mueve a través de los materiales, a escala nanométrica, viajando a la velocidad del sonido. Los resultados de esta investigación, publicada en la revista 'Nature Communications', ofrecen una visión sin precedentes sobre los papeles jugados por las características atómicas y en la nanoescala individuales, que podrían ayudar en el diseño de materiales de mejor calidad y más eficientes con una amplia gama de usos, desde la electrónica personal a las tecnologías de energía alternativa.

La energía en forma de calor impacta en todas las tecnologías y es un factor importante en cómo los dispositivos y la infraestructura pública electrónica están diseñados y fabricados. También es la mayor forma de malgastar energía en aplicaciones críticas, incluyendo la transmisión de potencia y, especialmente, el transporte, donde, por ejemplo, aproximadamente el 70 por ciento de la energía en la gasolina se pierde en forma de calor en los motores de automóviles.

Los científicos de materiales e ingenieros han pasado décadas investigando cómo controlar la energía térmica a nivel atómico con el fin de reciclarla y usarla para aumentar drásticamente la eficiencia y en última instancia, reducir el uso de combustibles fósiles. Este tipo de trabajo se vería favorecido en gran medida por el hecho de ver movimiento de calor a través de materiales, pero la captura de imágenes de los procesos físicos básicos en el corazón del movimiento de la energía térmica ha presentado enormes desafíos.

Esto se debe a que las escalas de longitud fundamentales son los nanómetros (una mil millonésima parte de un metro) y las velocidades pueden ser muchos kilómetros por segundo. Tales condiciones extremas han hecho la obtención de imágenes de este proceso omnipresente extraordinariamente difícil.

Para superar estos desafíos y registrar la imagen en movimiento de la energía térmica, los investigadores utilizaron un Femto microscopio de electrónica ultrarrápido de última generación, capaz de examinar la dinámica de los materiales a escala atómica y molecular durante lapsos de tiempo medidos en femtosegundos (una millonésima de una mil millonésima parte de un segundo).

En este trabajo, los investigadores utilizaron un breve pulso de láser para excitar electrones y calentar muy rápidamente materiales semiconductores cristalinos de diselenuro de tungsteno y germanio. A continuación, capturaron vídeos a cámara lenta (a menos de mil millones de veces la velocidad normal) de las ondas resultantes de la energía que se mueven a través de los cristales. Un vídeo con el resultado ha sido divulgado.

"Tan pronto como vimos las ondas, sabíamos que era una observación muy emocionante", dijo el investigador principal, David Flannigan, un profesor asistente de ingeniería química y ciencia de los materiales en la Universidad de Minnesota. "En realidad ver este proceso ocurre en la nanoescala es un sueño hecho realidad."

Flannigan dijo que el movimiento del calor a través del material se ve como ondas en un estanque después de que una piedra se deja caer en el agua. Los vídeos muestran ondas de energía que se mueven alrededor de los 6 nanómetros (0,000000006 metros) por picosegundos (0,000000000001 segundos). El mapeo de las oscilaciones de energía, llamado fonones, en la nanoescala es fundamental para el desarrollo de una comprensión detallada de los fundamentos del movimiento en energía térmica.

"En muchas aplicaciones, los científicos y los ingenieros quieren entender el movimiento-energía térmica, controlarlo, recogerlo, y guiarlo precisamente guiarla para hacer un trabajo útil o apartarla muy rápidamente de los componentes sensibles," dijo Flannigan. "Debido a que las longitudes y los tiempos son tan pequeños y tan rápidos, ha sido muy difícil entender en detalle cómo ocurre esto en los materiales que tienen imperfecciones, como hacen prácticamente todos los materiales. Literalmente, ver cómo sucede este proceso hace recorrer un largo camino en la construcción de nuestra comprensión, y ahora podemos hacerlo".

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University of Minnesota

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