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Investigadores del Instituto de Física de la UNAM desarollaron un modelo teórico para manipular transferencias de calor a escala nanométrica.

Los investigadores Jaime Everardo Pérez Rodríguez, Giuseppe Pirruccio y Raúl Esquivel-Sirvent lograron predecir la posibilidad de suprimir casi por completo y en un rango espectral eligible un tipo de transferencia de calor conocido como transferencia de calor radiativo a campo cercano (NFRHT, por sus siglas en inglés). Sus resultados fueron publicados recientemente en la revista Physical Review Materials (Rapid Communications).

A diferencia de otros tipos de transferencia de calor como la conducción o la convección, el NFRHT ocurre por medio de ondas electromagnéticas cuando dos cuerpos se encuentran a distancias nanométricas y a diferentes temperaturas.

Esta transferencia de calor radiativa presenta dos regímenes: por un lado, cuando los dos medios están separados por una distancia mucho mayor a la longitud de onda térmica, el NFRHT es dominado por los modos de propagación, mientras que a distancias menores los modos evanescentes son los que dominas, lo que propician un aumento en el flujo de calor.

Para poder manipular este tipo de transferencia de calor, los investigadores decidieron enfocarse en el segundo caso, a través de la creación de nanocavidades.

“Las micro o nanoavidades son estructuras diseñadas para confinar una onda electromagnética de cierta frecuencia y hacerla resonar; normalmente se diseñan en un tamaño comparable a la longitud de onda de la luz o, incluso, más pequeña, y están hechas de superficies semi-reflejantes que propician el efecto de resonancia”, explica el investigador Giuseppe Pirruccio.

Así que el equipo de investigadores eligieron un rango de frecuencia específico y diseñaron una nanocavidad con los materiales ideales para ese rango: un material polaritónico recubierto por capas de metal.

Imagen de la cavidad formada por un material polaritónico y recubierto por capas de metal, y con temperatura diferente en cada lado. Imagen: Physical Review Materials. “El objetivo de usar esta combinación es que podemos inducir un acoplamiento fuerte entre los modos plasmónicos de superficie en el metal y los fonones de superficie del material dieléctrico”, dice Pirruccio.

Es importante inducir un acoplamiento fuerte entre los materiales porque eso permite la creación de un sistema nuevo con propiedades combinadas de los materiales originales. En este caso, los investigadores demostraron que la nueva entidad acoplada es capaz de aumentar resonantemente la transferencia de calor en ciertas regiones espectrales, suprimirla casi por completo en otras, e incluso conducir a la apertura de una brecha de banda térmica.

Aunque concluyeron que el acoplamiento plasmón-fonón es responsable de la apertura de un espacio de banda térmica controlable, los resultados obtenidos son generales y pueden aplicarse a cualquier región de longitud de onda seleccionando adecuadamente los materiales.

De acuerdo con Pirruccio, normalmente, la transferencia de calor radiativo no es tan importante en comparación con los mecanismos de conducción o convección, "pero si vamos muy cerca y a un nivel nanométrico, resulta que la transferencia de calor radiativo puede ser muy importante e incluso prevalecer sobre los otros mecanismos".

Lo que hicimos fue "básicamente es un filtro térmico", dice Pirruccio. Y una posible aplicación en el futuro podría estar en la nanoelectrónica: "si queremos evitar que el calor dañe el rendimiento de nuestros dispositivos debido a alguna frecuencia que sobrecalienta el sistema, basta con identificar la frecuencia específica y será posible diseñar un filtro térmico que suprima esa transferencia de calor".

Por lo pronto, los investigadores seguirán estudiando este tipo de cavidades desde el punto de vista fundamental y de la física aplicada. Actualmente, gracias a una colaboración entre el Instituto de Física y el Consejo Nacional de Investigación de Italia, están construyendo un microscopio de campo cercano con el que será posible estudiar fenómenos térmicos generales.