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Científicos de varios países han logrado identificar un fenómeno que rompe con todos los paradigmas conocidos de control del calor en el campo de la electrónica y apunta ya una vía que podría evitar el calentamiento de los dispositivos.
Un equipo del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC), en colaboración con la Universidad de Colorado Boulder (Estados Unidos), ha revelado por primera vez un mecanismo de transporte de calor que rompe con los conceptos clásicos de la ingeniería térmica, y han publicado los resultados de su investigación en la revista Nature Materials.
Uno de los mayores desafíos sociales actuales es lograr un uso sostenible de los recursos y la energía, conciliando ese reto con el crecimiento de las tecnologías digitales, como la inteligencia artificial, que según algunas estimaciones consumirá aproximadamente el 5 por ciento de la energía mundial, ha recordado el ICMM-CSIC en un comunicado difundido hoy.
El hallazgo ofrece nuevas esperanzas en la búsqueda de dispositivos electrónicos más potentes y, al mismo tiempo, más eficientes, ha asegurado la misma fuente.
“¿A quién no se le ha calentado el móvil tras abrir varias aplicaciones, usar el GPS o ver vídeos?”, pregunta de forma retórica Guilherme Vilhena, investigador del ICMM-CSIC y uno de los autores principales del trabajo, y ha asegurado que la corriente que alimenta esos circuitos genera tanto calor que podría llegar a dañar el dispositivo.
Por ello, ha subrayado el investigador en la nota, la importancia de enfriar los circuitos electrónicos, especialmente cuando están tan compactados como en un teléfono inteligente o en los procesadores de los centros de supercomputación que impulsan la inteligencia artificial.
En estos centros, el coste energético de enfriar los procesadores puede igualar o incluso superar la energía requerida para alimentarlos. “Este es un desafío crítico que necesita soluciones térmicas innovadoras”, ha indicado Vilhena.
Para abordar este problema, los investigadores han rescatado un concepto de la mecánica cuántica, la ‘dualidad onda-partícula’, y han explicado en qué consiste su descubrimiento.
“De forma clásica podemos entender el flujo de calor como partículas (fonones) que se propagan desde una fuente caliente hacia una fría”, ha explicado Pablo Martínez, también investigador del ICMM-CSIC y autor del trabajo; sin embargo, cuando se baja a escala nanométrica (la milmillonésima parte de un metro, y el tamaño típico de los componentes de un microchip) “la naturaleza ondulatoria de este fenómeno emerge”.
Los autores han observado por primera vez a temperatura ambiente las propiedades ondulatorias de estos ‘portadores de calor’ y han comprobado que “explotar este nuevo carácter (ondulatorio) permite diseñar formas de suprimir casi por completo el flujo térmico, algo que era inalcanzable en los paradigmas clásicos”.
La Universidad de Colorado Boulder ha estado perfeccionando sondas térmicas que, ahora, han abierto la posibilidad de estudiar ese transporte de calor a la nanoescala.
“Nuestros colaboradores nos contactaron con un resultado intrigante: cambiando muy ligeramente la estructura de una molécula se conseguía suprimir el transporte de calor en más de un 40 por ciento”, ha relatado Martínez, miembro del equipo de Vilhena, y finalmente fue en el ICMM-CSIC donde se consiguió explicar ese fenómeno.
Durante los últimos años, el grupo del ICMM-CSIC colaboró con la Universidad Autónoma de Madrid para desarrollar nuevos métodos teóricos y numéricos que permiten entender átomo a átomo la relación entre sus vibraciones térmicas y la capacidad de transmitir calor.
El estudio, en el que también han participado investigadores del Consiglio Nazionale delle Ricerche (Italia), abre oportunidades para investigar numerosas propiedades materiales basadas en el carácter ondulatorio de los portadores de calor (fonones).
“Estamos un paso más cerca de diseñar algo tan revolucionario como dispositivos que dejen pasar el calor solo en un sentido”, ha destacado Pablo Martínez.
Este avance permitiría canalizar la energía perdida en forma de calor en cualquier industria para su aprovechamiento, reciclaje o el diseño de ventanas inteligentes que regulen activamente la temperatura según la estación del año, entre otras aplicaciones, han concluido los investigadores.