La investigación moderna no había encontrado ningún modo simple y barato para alterar la conductividad térmica de un material a temperatura ambiente hasta que recientemente investigadores de Sandia National Laboratories lo han logrado mediante la aplicación de tensión dispersando fonones .
Foto de Portada: Los investigadores Sandia National Laboratories Jon Ihlefeld, izquierda, y David Scrymgeour utilizan un microscopio de fuerza atómica para examinar los cambios en las paredes internas de dispersión de fonones de un material, antes y después de aplicar un voltaje. El material analizado, PZT, tiene variados usos comerciales. Crédito: Randy Montoya, Sandia National Laboratories
Esa falta de control ha hecho que sea difícil crear nuevas clases de dispositivos que utilizan fonones – los agentes de la conductividad térmica – en lugar de electrones o fotones para conseguir energía o transmitir información. Los fonones , vibraciones atómicas que transportan energía térmica en sólidos a velocidades de hasta la velocidad del sonido , han demostrado que son difíciles de aprovechar.
Ahora, utilizando sólo una batería de 9 voltios a temperatura ambiente, un equipo dirigido por el investigador de Sandia National Laboratories Jon Ihlefeld ha alterado la conductividad térmica del material ampliamente utilizado de PZT (plomo zirconato titanato) hasta en un 11 por ciento en escalas de tiempo por debajo del segundo. Lo hicieron sin recurrir a cirugías costosas, como cambiar la composición de la materia o forzar transiciones de fase a otros estados de la materia.
El PZT, ya sea como cerámica o como película delgada, se utiliza en una amplia gama de dispositivos que van desde discos duros de ordenador, pulsadores de ignición para barbacoas, transpondedores de paso de velocidad en las cabinas de peaje de autopistas y muchos diseños microelectromecánicos.
«Podemos alterar la conductividad térmica del PZT en un amplio rango de temperaturas, y no sólo a las temperaturas criogénicas logradas por otros grupos de investigación», dijo Ihlefeld. «Y podemos hacerlo de forma reversible: Cuando liberamos nuestra tensión, la conductividad térmica vuelve a su valor original.»
El trabajo fue realizado en materiales con interfaces internas muy próximas entre sí – los llamados muros de dominio – que no estaban disponibles en las décadas anteriores. La estrecha separación permite un mejor control de paso de fonones.
«Hemos demostrado que podemos preparar materiales cristalinos con interfaces que se pueden alterar con un campo eléctrico. Debido a que estas interfaces dispersan fonones», dijo Ihlefeld, «podemos cambiar activamente la conductividad térmica de un material, simplemente cambiando su concentración. Creemos que este trabajo pionero permitirá avanzar en el campo de la fotónica».
Los investigadores, apoyados por la Oficina de Investigación y Desarrollo Dirigidos del Laboratorio Sandia , la oficina de Investigaciones Científicas de las Fuerzas Aéreas, y la Fundación Nacional de Ciencias utilizaron un microscopio electrónico de barrido y un microscopio de fuerza atómica para observar cómo las paredes de dominio de las subsecciones del material cambiaban en longitud y forma bajo la influencia de una tensión eléctrica. Es este cambio que alteraba de forma controlable el transporte de fonones en el material.
«El verdadero logro en nuestro trabajo», dijo Ihlefeld, «es que hemos demostrado un medio para controlar la cantidad de calor que pasa a través de un material a temperatura ambiente mediante la simple aplicación de un voltaje a través de este».
Ihlefeld señala que el control activo de transporte de electrones y fotones ha llevado a las tecnologías que se dan por sentado hoy en día en la informática, las comunicaciones globales y otros campos.
«Antes de que existiera la capacidad de controlar estas partículas y ondas, probablemente era difícil incluso soñar con tecnologías que implicaran ordenadores y láseres electrónicos. Y antes de nuestra demostración de una forma de alterar la conductividad térmica, rápida, en estado sólido y a temperatura ambiente, no existían medios análogos para controlar el transporte de fonones. Creemos que nuestro resultado permitirá el avance de nuevas tecnologías, donde es necesario el control de los fonones «, dijo.
El trabajo, publicado el mes pasado en la revista Nano Letters, ha sido co-escrito por los investigadores de Sandia David A. Scrymgeour, Joseph R. Michael, Bonnie B. McKenzie y Douglas L. Medlin; Brian M. Foley y Patrick E. Hopkins de la Universidad de Virginia; y Margeaux Wallace y Susan Trolier-McKinstry de la Universidad Estatal de Pensilvania.
El objetivo del trabajo futuro es llegar a una mejor comprensión de «lo que causó que este efecto suceda de manera tan eficiente», dijo Ihlefeld.
Acerca de Sandia National Laboratories
Sandia National Laboratories es un laboratorio multiprograma operado por Sandia Corporation, una subsidiaria de propiedad total de Lockheed Martin Corp., para el Departamento de la Administración Nacional de Seguridad Nuclear de Energía de Estados Unidos. Con sus instalaciones principales situadas en Albuquerque, Nuevo México, y Livermore, Calif., Sandia tiene importantes responsabilidades de I + D en la seguridad nacional, la energía y las tecnologías medioambientales y la competitividad económica.
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