Cuando todos los detalles importan - Transporte de calor en materiales energéticos
El descubrimiento podría contribuir a tecnologías más eficientes desde el punto de vista energético al permitir la adaptación de aislantes térmicos a nanoescala mediante la ingeniería de defectos.
Investigadores del Laboratorio NOMAD del Instituto Fritz Haber de la Sociedad Max Planck han arrojado luz sobre los mecanismos microscópicos que determinan la conducción térmica en los aislantes térmicos. Mediante su investigación computacional han demostrado que incluso las estructuras defectuosas de corta duración y localizadas microscópicamente tienen un impacto sustancial en los procesos macroscópicos de transporte. Este descubrimiento podría contribuir a tecnologías más eficientes desde el punto de vista energético al permitir la adaptación de aislantes térmicos a nanoescala mediante la ingeniería de defectos.
Formación temporal de un par de defectos en yoduro de cobre. Aunque estos defectos sólo sobreviven un par de picosegundos, es decir, una trillonésima de segundo, influyen sustancialmente en los procesos macroscópicos de transporte de calor.
© Florian Knoop, NOMAD Laboratory
Los investigadores del Laboratorio NOMAD han dilucidado recientemente los mecanismos microscópicos fundamentales que permiten adaptar los materiales para el aislamiento térmico. Este avance supone un paso adelante en los esfuerzos por mejorar la eficiencia energética y la sostenibilidad.
El papel del transporte de calor es crucial en diversas aplicaciones científicas e industriales, como la catálisis, las tecnologías de turbinas y los convertidores termoeléctricos de calor que transforman el calor residual en electricidad. Especialmente en el contexto de la conservación de la energía y el desarrollo de tecnologías sostenibles, los materiales con altas capacidades de aislamiento térmico son de suma importancia. Estos materiales permiten retener y utilizar el calor que de otro modo se desperdiciaría. Por ello, mejorar el diseño de materiales altamente aislantes es un objetivo de investigación clave para posibilitar aplicaciones más eficientes desde el punto de vista energético.
Sin embargo, diseñar materiales fuertemente aislantes del calor dista mucho de ser trivial, a pesar de que las leyes físicas fundamentales subyacentes se conocen desde hace casi un siglo. A nivel microscópico, el transporte de calor en semiconductores y aislantes se entendía en términos de la oscilación colectiva de los átomos en torno a sus posiciones de equilibrio en la red cristalina. Estas oscilaciones, denominadas "fonones" en este campo, afectan a miles de millones de átomos en los materiales sólidos y, por tanto, abarcan grandes escalas de tiempo y longitud, casi macroscópicas.
En una reciente publicación conjunta en Physical Review B (Editors Suggestions) y Physical Review Letters, investigadores del Laboratorio NOMAD del Instituto Fritz Haber han avanzado en las posibilidades computacionales para calcular conductividades térmicas sin aportación experimental con una precisión sin precedentes. Demostraron que, en el caso de los aislantes térmicos fuertes, la imagen fonónica antes mencionada no es apropiada. Utilizando cálculos a gran escala en superordenadores de la Sociedad Max Planck, la Alianza de Supercomputación del Norte de Alemania y el Centro de Supercomputación de Jülich, analizaron más de 465 materiales cristalinos cuya conductividad térmica aún no se había medido. Además de hallar 28 aislantes térmicos fuertes, seis de ellos con una conductividad térmica ultrabaja comparable a la de la madera, este estudio arrojó luz sobre un mecanismo hasta ahora típicamente pasado por alto que permite reducir sistemáticamente la conductividad térmica. "Observamos la formación temporal de estructuras defectuosas que influyen masivamente en el movimiento atómico durante un periodo de tiempo extremadamente corto", afirma el Dr. Florian Knoop (ahora Universidad de Linköping), primer autor de ambas publicaciones. "Estos efectos no suelen tenerse en cuenta en las simulaciones de conductividad térmica, ya que estos defectos son tan efímeros y están tan localizados microscópicamente en comparación con las escalas típicas de transporte de calor, que se supone que son irrelevantes. Sin embargo, los cálculos realizados demuestran que provocan conductividades térmicas más bajas", añade el Dr. Christian Carbogno, autor principal de los estudios.
Estos conocimientos pueden ofrecer nuevas oportunidades para perfeccionar y diseñar aislantes térmicos a nanoescala mediante la ingeniería de defectos, lo que podría contribuir al avance de las tecnologías energéticamente eficientes".
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Publicación original
Florian Knoop, Thomas A. R. Purcell, Matthias Scheffler, and Christian Carbogno; Anharmonicity in Thermal Insulators: An Analysis from First Principles; Phys. Rev. Lett. 130, 236301 – Published 7 June 2023
Florian Knoop, Matthias Scheffler, and Christian Carbogno; Ab initio Green-Kubo simulations of heat transport in solids: Method and implementation; Phys. Rev. B 107, 224304 – Published 7 June 2023
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