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Descubren el material que más calor intercambia por radiación

11/10/2017
10_11_Calor Superficies de silicio dopado perforadas periódicamente y a distinta temperatura, que intercambian energía por medio de radiación. /UAM

Científicos de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) han descubierto que, si se realiza una red periódica de agujeros en silicio dopado, es posible obtener la transferencia de calor radiativa más alta propuesta hasta la fecha. Estos resultados representan un avance hacia una gestión térmica mucho más eficiente en multitud de dispositivos.

La transferencia de calor entre dos objetos se puede llevar a cabo por medio de tres mecanismos básicos: conducción, convección y radiación. El intercambio de calor por radiación es uno de los fenómenos más universales que existen y es, por ejemplo, el que hace posible que el Sol caliente a la Tierra.

En los últimos años se ha descubierto que cuando dos objetos están muy próximos la transferencia radiativa de calor puede aumentarse en órdenes de magnitud. Sin embargo, todavía no se conoce cuál es el límite máximo de energía que puede llegar a ser intercambiada por este mecanismo.

Ahora, físicos del Centro de Investigación de Física de la Materia Condensada (IFIMAC) de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), han mostrado que el silicio dopado, periódicamente perforado, intercambia más calor por radiación que ningún otro material propuesto hasta la fecha.

Los autores emplearon el denominado “formalismo de la matriz de scattering”, que hasta ahora no había podido ser utilizado para abordar este problema debido a su lenta convergencia. Gracias a la correcta resolución de las ecuaciones de Maxwell en el contexto de la radiación térmica, los investigadores lograron analizar el material, dando un paso más en el conocimiento de los límites de la radiación térmica.

Además de ser importantes desde un punto de vista fundamental, estos resultados acercan el desarrollo de nuevas tecnologías térmicas, como las células termofotovoltaicas, la litografía térmica o el grabado magnético asistido por calor.

El trabajo, publicado en Physical Review Letters, lo firman Víctor Fernández Hurtado, Francisco José García Vidal y Juan Carlos Cuevas Rodríguez de la UAM, junto al investigador Shanhui Fan de la Universidad de Stanford.


Récord de transferencia radiativa

Hasta la fecha los materiales que más calor emiten en el campo cercano son los denominados dieléctricos polares, como el carburo de silicio o la sílice, sistemas que tienen una estructura atómica muy particular: son grandes emisores térmicos cuando la distancia entre ellos es muy pequeña (del orden de una micra o menos).

En su trabajo, los científicos utilizaron una estrategia diferente para explorar los límites de la radiación térmica. En vez de un material dieléctrico, emplearon un semiconductor como el silicio dopado para analizar teóricamente el intercambio de radiación.

“Aunque el silicio dopado no es un gran emisor térmico en estas escalas, intuíamos que sus propiedades emisoras debían mejorar al introducir una nanored periódica de agujeros en el material”, explican los autores.

La verificación de la hipótesis de su trabajo teórico demostró que el intercambio de calor entre dos sistemas formados por silicio dopado es extraordinario. “Supera en un factor tres a la energía transferida por radiación entre dieléctricos polares, que hasta ahora tenían el récord en la transferencia radiativa”, detallan.


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Referencia bibliográfica:

V. Fernández-Hurtado, F.J. García-Vidal, S. Fan and J. C. Cuevas. Enhancing near-field radiative heat transfer with Si-based metasurfaces. Physical Review Letters. Doi: 10.1103/PhysRevLett.118.203901



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