Crean un cristal de silicio capaz de detener la transmisión de calor

Los nuevos materiales diseñados para evitar el paso del calor están a la orden del día. Con el avance de la nanotecnología los científicos del MIT crearon un cristal sintético con el objetivo de impedir y controlar la transmisión de calor, según informa este Instituto en un comunicado.

El jefe del departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería, Edwin L. Thomas, y el profesor Cohen Morris, ambos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés), desarrollaron un escrito, publicado en la revista Nano Letters, en el que describen la creación de cristales de fonones supersónicos -es decir, superiores a la velocidad del sonido- que pueden moverse en una frecuencia de calor.

Los aislantes térmicos para eludir el paso del calor más conocidos hasta el momento eran la lana de roca, el vidrio expandido, el poliestireno expandido, entre otros materiales; la mayoría, utilizados en construcciones. Los expertos creen que la envergadura de este nuevo descubrimiento marcará un progreso en materiales permeables.

En el campo de las ciencias aplicadas, el control y la manipulación de la materia han hecho posible la creación de materiales con estructuras lo suficientemente pequeñas como para utilizar la alta frecuencia con fonones que están asociados al calor.

Cristales de silicio

Esta estructura ha sido desarrollada colocando capas alternas de dióxido de silicio (utilizadas en su mayoría para la elaboración de microchips) y un material de polímero. Es un componente que tiene una red tridimensional y una estructura molecular regularmente diferente, ya que presenta capas alternas de dos materiales hasta el momento no utilizados en este tipo de investigaciones.

El resultado que se obtuvo fue un cristal sintético, hecho de silicio. Los investigadores utilizaron este elemento químico porque presenta la particularidad de ser un semiconductor capaz de ser utilizado como aislante.

El cristal de silicio contiene dentro fonones, es decir, ondas vibracionales portadoras de calor normal (o sonido) de acuerdo a su frecuencia. En este caso, las partículas tienen un nivel bajo de calor.

Los fonones que presenta este nuevo material tienen un período de vibración muy débil, por lo que solo funciona a temperaturas bajo cero. Sin embargo, el grupo de expertos del MIT presiente que si logran diminuir el espesor de las capas de silicio de los cristales pueden obtener un aislante perfecto, capaz de bloquear el calor, abriéndose de esta manera un abanico de posibilidades tecnológicas.

Thomas sostiene que los fonones existen en todos los sólidos y suelen ser un estorbo que debe ser eliminado con los sistemas de refrigeración. A su vez, afirma: “Se los ha denigrado e ignorado, pero podrían ser la atracción del futuro si podemos manipularlos para nuestro propio beneficio”.

Futuras aplicaciones

En respuesta a la pregunta “¿qué tan lejos están los cristales de silicio de ser utilizado?”, Thomas anuncia fervientemente que el abrupto avance tecnológico y su producción ha permitido, entre otras cosas, disminuir el costo de los productos y permitir que las aplicaciones se puedan difundir y comercializar.

Un material capaz de repeler un muy alto porcentaje de calor generaría un salto excepcional en la evolución de los materiales térmicos. Por ejemplo, una capa de este aislante podría utilizarse para mantener la temperatura de los instrumentos de investigación utilizados en la Antártida, que dependen de un entorno helado, como así también en el terreno de los viajes espaciales.

Thomas sostiene que la mejor manera de comprender el enorme potencial de los dispositivos de control de los fonones es compararlos con los electrones y los fotones.

El jefe del departamento de Ciencia de los Materiales explica que la comprensión cada vez mayor de los electrones y los fotones (que llevan la electricidad y la luz, respectivamente) ha conducido a decenas de innovaciones tecnológicas, incluyendo el láser, los transistores, las células fotovoltaicas y el microchip.

“Estas invenciones hicieron posible la mayoría de los dispositivos que caracterizan la vida moderna, incluyendo teléfonos celulares, computadoras, reproductores de DVD y televisores de pantalla plana”, ejemplifica.

Nanotecnología al descubierto

Además de prometer soluciones vanguardistas y preocuparse por los problemas ambientales, la nanotecnología será clave en este tipo de investigaciones ya que los expertos ansían desarrollar con esta técnica un método eficiente para la compactación de calor, desde computadores y teléfonos celulares hasta automóviles y plantas de energía.

Ihab El-Kady, investigador del Sandia National Laboratories, sostiene que la creación de dos o tres cristales tridimensionales puede tener usos mayores a largo plazo. “Las ventajas que uno encuentra al tratar con cristales unidimensionales son las de este tipo, las descubiertas por Thomas y sus co-autores”, destaca.

Y concluye: “Este papel unidimensional representa un instrumento nuevo y profundo para analizar fenómenos de onda fundamentales, así como las interacciones entre fonones y otras partículas como los fotones”.