El calor se mueve a través del grafito como el sonido en el aire

Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Estados Unidos, han descubierto que el calor puede viajar a través del grafito de la misma forma que el sonido viaja a través del aire. Este fenómeno cuántico, conocido como segundo sonido, nunca antes de había detectado en un material tan común.
 

El descubrimiento sugiere que el grafito, y quizás su pariente de alto rendimiento, el grafeno, puede eliminar de manera eficiente el calor de los dispositivos microelectrónicos de una manera desconocida hasta ahora.
 

El segundo sonido
 

El calor es una energía en tránsito que, generalmente, se transfiere de tres maneras distintas: por conducción, cuando se produce a través de un medio material (normalmente sólido) por contacto directo entre sus partículas; por convención, cuando el calor se transmite a través de un fluido (líquido, gas o plasma) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas; o por radiación, cuando no es necesaria la presencia de un medio de transmisión.
 

La transferencia de calor por radiación entre dos superficies a diferentes temperaturas se debe a que estas emiten energía en forma de ondas electromagnéticas. En todos los casos, el calor siempre viaja del lugar más caliente al más frío.

Pero, a escalas muy pequeñas, se han observado otros comportamientos. En mecánica cuántica existe un fenómeno denominado “segundo sonido”, debido a que la ola de calor se mueve de manera similar a la forma en que se propaga el sonido en el aire. El calor tiene lugar en la presión normal de las ondas de sonido, y se comporta como esta onda mecánica.
 

Hasta ahora, el fenómeno del segundo sonido solo se había observado en fluidos difíciles de conseguir, como el helio II (helio en estado superfluido), por debajo de 2,7 kelvin (K) o -270 grados centígrados (°C).

Ola de calor en el grafito
 

Ahora, los investigadores han observado este modo de transporte de calor, aparentemente inverosímil, en un material bastante común: el grafito, el material del interior de los lápices.
 

A 120 K, o -153 °C, los investigadores vieron señales claras de que el calor puede viajar a través del grafito en un movimiento de onda. Los puntos que originalmente estaban calientes se quedaron instantáneamente fríos, ya que el calor se movía a través del material a una velocidad cercana al sonido.
 

El comportamiento se asemeja a la forma de onda en que el sonido viaja por el aire, por lo que los científicos han llegado a la conclusión de que se trata del fenómeno del segundo sonido.
 

Los nuevos resultados representan la temperatura más alta a la que los científicos han observado un segundo sonido. Además, el grafito es un material disponible comercialmente, en contraste con los materiales más puros y difíciles de controlar que han exhibido un segundo sonido a 20 K, (-253 °C), temperaturas que serían demasiado frías para ejecutar cualquier aplicación práctica.
 

Aplicaciones en electrónica
 

Una ventaja del fenómeno del segundo sonido es que, a diferencia la radiación electromagnética, no hay regresión del calor a la fuente de la misma: la dispersión regresiva de los fonones que transportan el calor a través de los cristales se suprime en gran medida.
 

A medida que se demandan dispositivos electrónicos cada vez más pequeños, la administración térmica se vuelve más difícil. Por eso, este descubrimiento en el grafito es esperanzador, porque su estructura es similar a la de un componente ideal para la construcción de microchips: el grafeno.
 

“Hay buenas razones para creer que el segundo sonido podría ser más pronunciado en el grafeno, incluso a temperatura ambiente”, explica en un comunicado Keith Nelson, profesor de Química en el MIT. “Si resulta que el grafeno puede eliminar eficientemente el calor en forma de olas, sería maravilloso".
 

Los resultados del estudio, totalmente inesperados, pueden guiar a los científicos a desarrollar aplicaciones interesantes en el futuro. “No hay dudas, desde un punto de vista fundamental, que el hallazgo es realmente inusual y emocionante", concluye Nelson.

Referencia

Observation of second sound in graphite at temperatures above 100 K. S. Huberman et al. Science, 4 Mar 2019. DOI: 10.1126/science.aav3548.