Identifican un fenómeno que rompe todos los paradigmas de control de calor en electrónica

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Uno de los mayores retos sociales que nos enfrentamos es lograr un uso sostenible de los recursos y energía. ¿Como conciliar esto con el auge de las tecnologías digitales como la inteligencia artificial (IA), que se estima que consumirán alrededor del 5% de la energía mundial? Para dar respuesta a este desafío, un equipo del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC), dependiente del Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades (MCIU), junto a la Universidad de Colorado Boulder (EEUU), ha revelado por primera vez un mecanismo de transporte de calor que rompe con todos los paradigmas clásicos de la ingeniería térmica. El descubrimiento, publicado en Nature Materials, impulsa una nueva esperanza en la búsqueda de dispositivos electrónicos más potentes y, al mismo tiempo, más eficientes.

“¿A quién no se le ha calentado el móvil tras abrir varias aplicaciones, usar el GPS o ver vídeos?”, pregunta retóricamente Guilherme Vilhena, investigador del ICMM-CSIC y uno de los autores principales del trabajo. El científico explica que la corriente que alimenta esos circuitos genera calor, tanto que podría llegar a dañar el dispositivo: “de ahí la importancia de enfriar los circuitos electrónicos, especialmente cuando están tan compactados como en un smartphone o en los procesadores de los centros de supercomputación que alimentan la IA”. De hecho, en estos centros, el coste energético de enfriar los procesadores puede ser igual o incluso mayor que la propia energía utilizada para alimentarlos. “Este es un desafío crítico que exige nuevas soluciones térmicas disruptivas”, añade Vilhena.

Para afrontarlo, los investigadores han rescatado un concepto de la mecánica cuántica: la dualidad onda-partícula. “Clásicamente podemos entender el flujo de calor como partículas (fonones) que se propagan desde una fuente caliente hacia una fría”, explica Pablo Martínez, también investigador del ICMM-CSIC y autor del trabajo. Sin embargo, cuando uno baja a escala nanométrica (la milmillonésima parte de un metro, y el tamaño típico de los componentes de un microchip) “la naturaleza ondulatoria de este fenómeno emerge”, añade.

Los autores han observado por primera vez a temperatura ambiente las propiedades ondulatorias de estos ‘portadores de calor’. “Explotar este nuevo carácter (ondulatorio) permite diseñar formas de suprimir casi por completo el flujo térmico – algo inalcanzable en los paradigmas clásicos”, celebra Martínez.

La Universidad de Colorado Boulder lleva años perfeccionando sondas térmicas que, ahora, han abierto la posibilidad de estudiar ese transporte de calor a la nanoescala. “Nuestros colaboradores nos contactaron con un resultado intrigante: cambiando muy ligeramente la estructura de una molécula se conseguía suprimir el transporte de calor en más de un 40%”, relata Martínez, miembro del equipo de Vilhena. Fue en el ICMM-CSIC donde se consiguió explicar ese fenómeno.

“En los últimos años, nuestro grupo unió fuerzas con Juan Carlos Cuevas, de la Universidad Autónoma de Madrid, para desarrollar nuevos métodos teóricos y numéricos que nos permiten entender átomo a átomo la relación entre sus vibraciones térmicas y la capacidad de transmitir calor. Este esfuerzo permitió, mediante cálculos teóricos avanzados, asociar dicha supresión a un fenómeno exclusivamente ondulatorio: el de interferencia”, indican los investigadores, que añaden: “Los cambios en la estructura permitían hacer que ciertas vibraciones se cancelaran, suprimiendo drásticamente el flujo de calor”.

Con este trabajo, que también ha contado con investigadores del Consiglio Nazionale delle Ricerche (Italia), se abren oportunidades para estudiar numerosas propiedades materiales basadas en el carácter ondulatorio de los portadores de calor (fonones). “Estamos un paso más cerca de diseñar algo tan revolucionario como dispositivos que dejen pasar el calor solo en un sentido”, celebra Martínez. Este avance permitiría canalizar la energía perdida en forma de calor en cualquier industria para su aprovechamiento, reciclado o el diseño ventanas inteligentes que activamente calienten o enfríen según la estación del año, entre otras aplicaciones, concluyen los investigadores.

Referencia:
Sai C. Yelishala, Yunxuan Zhu, P. M. Martinez, Hongxuan Chen, Mohammad Habibi, Giacomo Prampolini, Juan Carlos Cuevas, Wei Zhang,* J. G. Vilhena,* Longji Cui*. Phonon interference in single-molecule junctions. Nature Materials. DOI: s41563-025-02195-w