Investigadores del Instituto de Ciencias Industriales de la Universidad de Tokio utilizan grafito purificado isotópicamente para estudiar el fenómeno del calor que fluye como un fluido, lo que podría dar lugar a nuevos dispositivos de disipación de calor para la electrónica. Crédito: Instituto de Ciencias Industriales, Universidad de Tokio
Los investigadores descubrieron que el calor puede moverse como un fluido en el grafito purificado bajo condiciones específicas, lo que lleva a una eliminación de calor más eficiente en los dispositivos electrónicos. El fenómeno, llamado «flujo de fonones de Poiseuille», se ha observado con más del doble de la conductividad térmica del grafito natural y tiene aplicaciones potenciales en teléfonos inteligentes, computadoras y LED.
Los científicos del Instituto de Ciencias Industriales de la Universidad de Tokio estudiaron el flujo de energía térmica en cintas de grafito purificado y demostraron que el calor puede moverse más como un líquido, en lugar de difundirse al azar, bajo ciertas condiciones. Este trabajo podría conducir a una eliminación de calor más eficiente de los dispositivos electrónicos, incluidos los teléfonos inteligentes, las computadoras y los LED.
Antes de la comprensión moderna de la termodinámica, los científicos a veces pensaban en el calor como un fluido llamado «calórico». Sin embargo, ahora sabemos que el calor es en realidad la energía cinética aleatoria que poseen los átomos o moléculas en vibración que forman un material. A veces se puede pensar en las vibraciones como partículas físicas llamadas fonones, que son los principales contribuyentes a la conducción de calor en los semiconductores. En un giro sorprendente, en ciertos materiales como el grafito, los fonones en realidad pueden comportarse como un fluido. Sin embargo, esta teoría ha permanecido relativamente oscura.
Ahora, un equipo de investigadores dirigido por el Instituto de Ciencias Industriales de la Universidad de Tokio ha utilizado resultados teóricos y experimentales para comprender mejor la naturaleza fluida de los fonones. Muestran que cuando una muestra de grafito está hecha de carbono isotópicamente puro, lo que significa que solo están presentes átomos de carbono-12, el calor se puede conducir mucho más rápido, como el agua que fluye a través de una tubería. Esto se denominó «flujo de fonones de Poiseuille», basado en la teoría de los fluidos viscosos que fluyen en un tubo cerrado. El efecto fue más fuerte en el grafito a una temperatura de alrededor de 90 Kelvin. Sin embargo, el grafito natural contiene alrededor del 1% de otros isótopos de carbono, principalmente carbono-13, lo que limita este efecto en muestras naturales.
«Nuestro estudio aclaró los criterios teóricos para la formación del flujo de fonones de Poiseuille en grafito, un material que muestra una fuerte anisotropía, que no estaba claro antes», dice el autor principal, el Dr. Xin Huang. El grafito, también conocido como grafito, es muy barato y fácil de producir. Con eso, ya se está utilizando para la disipación de calor en algunos dispositivos electrónicos que generan mucho desperdicio de energía durante su funcionamiento. Usando grafito purificado que no tenía más del 0,02% de carbono-13, el equipo pudo observar una conductividad térmica que era más del doble que la del grafito natural. El hecho de que este aumento ocurriera solo en un rango de temperatura específico era evidencia de que el mecanismo era el movimiento colectivo de fonones similar a un fluido.
«En el flujo de Poiseuille convencional, la velocidad es más alta cerca del centro, que es lo que proponemos que suceda con los fonones en nuestros experimentos», dice el autor principal, el profesor Masahiro Nomura. Además del grafito, este fenómeno también se ha observado en helio sólido y fósforo negro. En teoría, este fenómeno también es posible incluso a temperatura ambiente. Este trabajo puede ayudar a mantener fríos los procesadores de computadoras sensibles, incluso cuando aumentan su densidad dentro de los dispositivos.
Referencia: “Observación del flujo de fonón de Poiseuille en cintas de grafito purificadas isotópicamente” por Xin Huang, Yangyu Guo, Yunhui Wu, Satoru Masubuchi, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Zhongwei Zhang, Sebastian Volz, Tomoki Machida y Masahiro Nomura, 19 de abril de 2023, Comunicaciones de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41467-023-37380-5
El trabajo se publicó en Nature Communications como «Observación del flujo de fon Poiseuille en cintas de grafito purificadas isotópicamente» (DOI: 10.1038/s41467 023 37380 5).
