Descodificación de la conducción térmica de materiales complejos
Nuevas perspectivas para el desarrollo de materiales innovadores con propiedades térmicas personalizadas
Utilizando flujos de trabajo de aprendizaje automático desarrollados internamente, los investigadores pudieron determinar que la conducción del calor es mucho más compleja de lo que se pensaba. Los hallazgos ofrecen potencial para el desarrollo de materiales específicos.
Materiales complejos como los semiconductores orgánicos o los marcos metal-orgánicos microporosos conocidos como MOF ya se utilizan en numerosas aplicaciones, como pantallas OLED, células solares, almacenamiento de gas y extracción de agua. Sin embargo, aún guardan algunos secretos. Uno de ellos ha sido hasta ahora la comprensión detallada de cómo transportan la energía térmica. El equipo de investigación de Egbert Zojer, del Instituto de Física del Estado Sólido de la Universidad Tecnológica de Graz (TU Graz), en colaboración con colegas de la TU Viena y la Universidad de Cambridge, ha descifrado ahora este secreto utilizando el ejemplo de los semiconductores orgánicos, lo que abre nuevas perspectivas para el desarrollo de materiales innovadores con propiedades térmicas personalizadas. El equipo ha publicado sus hallazgos en la prestigiosa revista npj Computational Materials.
Hasta ahora se había prestado poca atención al transporte de calor
"Los científicos llevan unos 40 años investigando el transporte de cargas en semiconductores orgánicos, pero nadie se había fijado realmente en los mecanismos detallados relevantes para el transporte de calor", explica Egbert Zojer. "Sin embargo, las propiedades fundamentales de los materiales son muy interesantes para nosotros y los conocimientos que hemos adquirido sobre el transporte de calor en semiconductores orgánicos también son directamente relevantes para muchos otros materiales complejos. Esto se aplica tanto a los materiales en los que se pretende conseguir un gran efecto termoeléctrico con una baja conductividad térmica como a los materiales en los que se pretende suministrar o disipar energía térmica de forma eficiente mediante una alta conductividad térmica. El hecho de que ahora podamos determinar y comprender el transporte de calor con tanta precisión no tiene parangón".
El equipo de investigación logró este avance utilizando el aprendizaje automático en un contexto que no suele estar en el punto de mira cuando se habla de las aplicaciones de la inteligencia artificial. En lugar de buscar correlaciones en observaciones empíricas, los investigadores buscaron causalidades basándose en las estrategias que habían desarrollado en el pasado para el uso de potenciales especialmente eficientes aprendidos por máquinas. Querían averiguar cómo y por qué el calor se distribuye de una determinada manera dentro de un material. Las explicaciones anteriores del transporte de calor suponían únicamente un transporte de fonones en forma de partículas, también en el caso de materiales cristalinos complejos como los semiconductores orgánicos. En este contexto, los fonones son paquetes de energía asignados a las vibraciones de la red, cuyo transporte suele describirse de forma similar al de las partículas de gas. Sin embargo, los nuevos hallazgos demuestran que un mecanismo adicional desempeña un papel decisivo: el transporte tunelizado de fonones.
La longitud molecular es un factor decisivo
El transporte por efecto túnel se basa en el carácter ondulatorio de las vibraciones atómicas en los sólidos y es especialmente importante en materiales complejos con baja conductividad térmica. Se ha demostrado que este mecanismo de transporte adquiere mayor importancia con el tamaño de las moléculas que forman un cristal semiconductor orgánico.
"Se puede imaginar que el transporte de calor no sólo está determinado por las colisiones de los cuantos vibracionales, sino también por un 'efecto túnel' que acopla dos estados vibracionales separados entre sí", afirma Lukas Legenstein, autor de la publicación. "Este hallazgo no sólo explica por qué ciertos semiconductores orgánicos presentan una dependencia inusualmente baja de la temperatura de su conductividad térmica, sino que también permite un diseño más específico de materiales con propiedades térmicas concretas. Ahora podemos influir en la conducción del calor diseñando específicamente la estructura molecular". En consecuencia, a los investigadores les gustaría aplicar estos nuevos conocimientos a los versátiles MOF, ya que el transporte de calor desempeña un papel crucial en prácticamente todas las aplicaciones potenciales de esta clase de materiales, incluso más que en el caso de los semiconductores orgánicos.
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