El vidrio está presente en ventanas, puertas de hornos y numerosos dispositivos diseñados para reducir la transferencia de calor. Su estructura interna lo convierte en un conductor térmico relativamente pobre, una característica que la ingeniería aprovecha desde hace mucho tiempo. Pero un grupo de científicos decidió llevar ese material hasta uno de los límites más extremos de la física: reducir una conexión de vidrio a dimensiones comparables con las de un único átomo.
Lo que ocurrió contradijo las expectativas. El vidrio comenzó a transportar calor con una eficiencia extraordinaria, alcanzando el 40% del límite cuántico de conductancia térmica para un canal. El descubrimiento, realizado por investigadores de la Universidad de Colorado Boulder, el CSIC y la Universidad Autónoma de Madrid, aparece en un estudio publicado en Nature Nanotechnology y podría ayudar a resolver uno de los mayores problemas de la electrónica moderna: cómo gestionar el calor cuando los dispositivos se vuelven cada vez más pequeños.
Redujeron una unión de vidrio al tamaño de un átomo y encontraron una propiedad que parecía imposible
Para comprender el experimento hay que mirar cómo se transmite el calor. En un material como el vidrio, los átomos no están ordenados de manera regular, como ocurre en muchos cristales. Esa estructura desordenada dificulta la propagación de las vibraciones atómicas que transportan energía térmica, conocidas como fonones. Sin embargo, los investigadores sospechaban que las reglas podían cambiar al reducir enormemente las dimensiones del material.
El equipo construyó un microscopio especializado con una sonda térmica capaz de medir cantidades extraordinariamente pequeñas de energía. El dispositivo utiliza una punta de vidrio equipada con un sensor de temperatura, que permite estudiar cómo pasa el calor entre dos superficies.
Durante las pruebas, acercaron dos superficies de vidrio hasta establecer contacto y después comenzaron a separarlas lentamente. La unión se fue estrechando hasta formar un diminuto puente de material, con una sección comparable al grosor de un átomo, antes de romperse. Fue entonces cuando apareció el fenómeno inesperado. En lugar de comportarse como un aislante térmico convencional, aquella conexión permitió que las vibraciones transportaran energía con una eficiencia inusualmente elevada.
Según explica la Universidad de Colorado Boulder, los investigadores observaron por primera vez en este tipo de sistema una transferencia de calor cuantizada transportada por vibraciones atómicas.
El vidrio alcanzó el 40% del límite cuántico y podría cambiar cómo se refrigeran los chips
El resultado fue especialmente llamativo por su magnitud. Los experimentos registraron una conductancia térmica de hasta el 40% del máximo permitido por la física cuántica para un canal de transporte, aproximadamente diez veces superior a la conductancia fonónica medida en contactos atómicos de oro cristalino.
Esto no significa que una ventana de vidrio pueda convertirse en un conductor térmico excepcional simplemente por ser más delgada. El fenómeno aparece en uniones extremadamente pequeñas, donde las vibraciones pueden atravesar el contacto con muchas menos oportunidades de dispersarse.
En el estudio participaron investigadores españoles del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, perteneciente al CSIC, y de la Universidad Autónoma de Madrid. Sus modelos teóricos ayudaron a explicar por qué el desorden estructural del vidrio deja de representar una barrera importante cuando el contacto alcanza dimensiones atómicas.
El CSIC destacó que esta observación establece una nueva referencia experimental para estudiar el movimiento del calor en materiales aislantes. También abre la posibilidad de desarrollar componentes capaces de dirigir la energía térmica mediante vibraciones atómicas.
Entre las aplicaciones futuras aparecen los diodos y transistores térmicos, dispositivos que permitirían controlar el flujo de calor de una manera comparable a cómo los circuitos electrónicos regulan la electricidad.
Todavía queda mucho por investigar. Los científicos no han desarrollado un nuevo sistema comercial de refrigeración ni un material capaz de sustituir a los componentes actuales. Lo que han demostrado es que las propiedades térmicas de una sustancia pueden cambiar radicalmente cuando se estudian en la escala más pequeña posible.
La paradoja es extraordinaria: uno de los materiales que utilizamos para dificultar el paso del calor acaba de demostrar que, en las condiciones adecuadas, puede transportarlo con una eficiencia que los científicos nunca habían observado en un aislante de estas dimensiones.
