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Oct 03, 2023

Transporte de calor en materiales energéticos: un estudio aclara los mecanismos microscópicos fundamentales

9 de junio de 2023 Este artículo

9 de junio de 2023

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por la Sociedad Max Planck

Los investigadores del Laboratorio NOMAD han arrojado luz recientemente sobre los mecanismos microscópicos fundamentales que pueden ayudar a adaptar los materiales para el aislamiento térmico. Este desarrollo avanza los esfuerzos en curso para 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 de calor termoeléctricos que convierten el calor residual en electricidad.

Particularmente en el contexto de la conservación de energía y el desarrollo de tecnologías sostenibles, los materiales con altas capacidades de aislamiento térmico son de suma importancia. Estos materiales hacen posible retener y utilizar el calor que de otro modo se desperdiciaría. Por lo tanto, mejorar el diseño de materiales altamente aislantes es un objetivo de investigación clave para permitir aplicaciones más eficientes desde el punto de vista energético.

Sin embargo, el diseño de aislantes térmicos fuertes está lejos 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 alrededor de sus posiciones de equilibrio en la red cristalina. Estas oscilaciones, llamadas "fonones" en el campo, involucran una gran cantidad de átomos en materiales sólidos y, por lo tanto, cubren escalas de tiempo y longitud grandes, casi macroscópicas.

En una publicación conjunta reciente en Physical Review B y Physical Review Letters, los investigadores del Laboratorio NOMAD del Instituto Fritz Haber han avanzado en las posibilidades computacionales para calcular conductividades térmicas sin aportes experimentales con una precisión sin precedentes. Demostraron que para aislantes térmicos fuertes, la imagen de fonones mencionada anteriormente no es apropiada.

Usando cálculos a gran escala en supercomputadoras de la Sociedad Max Planck, la Alianza de Supercomputación de Alemania del Norte y el Centro de Supercomputación de Jülich, escanearon más de 465 materiales cristalinos, cuya conductividad térmica aún no se había medido. Además de encontrar 28 aislantes térmicos fuertes, seis de los cuales presentan una conductividad térmica ultrabaja comparable a la de la madera, este estudio arrojó luz sobre un mecanismo supervisado hasta ahora que permite reducir sistemáticamente la conductividad térmica.

"Observamos la formación temporal de estructuras defectuosas que influyen enormemente en el movimiento atómico durante un período de tiempo extremadamente corto", dice el Dr. Florian Knoop (ahora Universidad de Linköping), primer autor de ambas publicaciones.

"Tales efectos generalmente se pasan por alto en las simulaciones de conductividad térmica, ya que estos defectos son tan efímeros y localizados tan microscópicamente en comparación con las escalas típicas de transporte de calor, que se supone que son irrelevantes. Sin embargo, los cálculos realizados mostraron que desencadenan una menor conductividades térmicas", agrega el Dr. Christian Carbogno, autor principal de los estudios.

Estos conocimientos pueden ofrecer nuevas oportunidades para ajustar y diseñar aisladores térmicos a escala nanométrica a través de la ingeniería de defectos, lo que podría contribuir a los avances en la tecnología de eficiencia energética.

Más información: Florian Knoop et al, Anharmonicity in Thermal Insulators: An Analysis from First Principles, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.236301

Florian Knoop et al, Ab initio Green-Kubo simulaciones de transporte de calor en sólidos: Método e implementación, Physical Review B (2023). DOI: 10.1103/PhysRevB.107.224304

Información del diario:Revisión física B, Cartas de revisión física

Proporcionado por la Sociedad Max Planck