Un estudio realizado por científicos del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC) y de la Universidad Autónoma de Madrid ha descubierto una nueva ley universal sobre el transporte de calor a escala atómica, según informa el ICMM-CSIC en un comunicado. Los investigadores han descubierto un fenómeno, desconocido hasta ahora, que cambia la forma de entender y medir cómo se transmite el calor cuando dos superficies están separadas por una distancia de apenas unos átomos.
Este trabajo se ha publicado en Nature Communications y explica por qué ciertos resultados parecían contradecir las leyes de la física y desconcertaban a la comunidad científica En este sentido, esta nueva ley universal explica por qué ciertos experimentos parecían contradecir las leyes de la física y allana el camino para avanzar en tecnologías como la termofotovoltaica (que convierte calor en electricidad usando radiación infrarroja), la termografía (que permite medir temperaturas a distancia) o la gestión térmica en electrónica (que controla la temperatura de los dispositivos electrónicos, evitando que se sobrecalienten).
El estudio revela que el calor, en lugar de fluir de forma directa, se dispersa de manera difusa cuando atraviesa puentes líquidos invisibles formados por agua en espacios ultrapequeños. De esta forma, los investigadores descubrieron que el calor no se comporta como se esperaba a escala nanométrica, es decir, en dimensiones millones de veces más pequeñas que un milímetro. El hallazgo clave fue que diminutas cantidades de agua, invisibles a simple vista, pueden formar puentes líquidos entre materiales, alterando tanto las mediciones como el transporte del calor.
El investigador en el ICMM-CSIC, Óscar Mateos López, ha asegurado que "el transporte de calor entre cuerpos que están separados varios nanómetros es extremadamente interesante". Además afirma que "hay hasta tres portadores de calor diferentes que pueden influir en los resultados: los electrones, fonones (vibraciones de la red atómica) y fotones (partículas que transportan la luz)".
Por su parte, el investigador del ICMM-CSIC, Guilherme Vilhena, recuerda que "había señales térmicas cuya magnitud no puede explicarse con los métodos estándar de transporte de calor". De esta forma, varios experimentos recientes mostraban anomalías similares, lo que había sembrado dudas sobre qué estaba ocurriendo realmente en estos huecos diminutos.
Para resolver este enigma, el equipo diseñó simulaciones por ordenador que mostraban la presencia de moléculas de agua en las superficies metálicas que forman un pequeño puente líquido, conocido como 'cuello o menisco de agua', cuando ambas se acercan mucho. "Resolvemos esta controversia planteando que existen moléculas de agua en la superficie de ambos cuerpos que se acercan. Se hace un 'cuello de agua', algo que altera el flujo de calor", señala Vilhena.
Gracias a sus experimentos, los investigadores descubrieron que "el transporte de calor es difuso, y que depende de una relación entre la conductancia y el tamaño del 'cuello del agua'", añade Mateos López. Es decir, el calor no se mueve de forma directa ni uniforme, sino que se dispersa, y su paso depende de lo fácil que resulte atravesar el pequeño puente de agua que se forma entre los materiales; si ese puente es estrecho o transmite mal el calor, el proceso se vuelve más lento o irregular.
Esta observación ha permitido definir una nueva ley universal que describe cómo fluye el calor en estos puentes invisibles de agua. "Nos hemos topado con una nueva ley universal de transporte de calor en cuellos de agua", añade Vilhena.
Por último, este hallazgo también puede reinterpretar resultados pasados "anómalos" y ofrece nuevas formas de estudiar cómo se comportan los líquidos en espacios ultrapequeños, con aplicaciones desde la electrónica a la biotecnología.