El vidrio conduce el calor con gran eficiencia cuando su grosor se reduce a un átomo

El vidrio es un mal conductor del calor a escala cotidiana. Sin embargo, cuando forma un contacto de un solo átomo de grosor, puede transmitirlo con una eficiencia sorprendente. 

Así lo muestra un estudio internacional publicado en Nature Nanotechnology, en el que participan el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC), el Centro de Investigación en Física de la Materia Condensada (IFIMAC) de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y la Universidad de Colorado Boulder (Estados Unidos).

El equipo ha estudiado contactos de sílice, un vidrio compuesto por silicio y oxígeno. A esta escala, su conductancia térmica —la cantidad de calor que atraviesa el contacto por unidad de tiempo y por cada grado de diferencia de temperatura entre sus extremos— alcanza el 40 % del máximo permitido por la física cuántica para este sistema.

Comprender cómo se transmite el calor entre unos pocos átomos es fundamental para avanzar en la miniaturización de los dispositivos electrónicos y cuánticos, cuyo funcionamiento está limitado, entre otros factores, por la dificultad para disipar la energía que generan.

Vibraciones que transportan calor

En los aislantes eléctricos, el calor se transmite principalmente mediante las vibraciones de los átomos, descritas en física cuántica como fonones. El proceso se parece a la propagación del sonido: el movimiento de un átomo se transmite a sus vecinos y la energía avanza por el material.

Mientras que el paso de la corriente eléctrica por contactos de un solo átomo se investiga desde hace décadas, medir el transporte de calor a esa escala sigue siendo un reto experimental.

La teoría establece un límite para ese transporte. En una cadena atómica, las vibraciones pueden propagarse a través de tres canales: uno longitudinal y dos transversales. Cada canal tiene una capacidad máxima para transmitir energía. En conjunto, a temperatura ambiente, ese límite ronda un nanovatio por cada grado de diferencia de temperatura entre los extremos. Esta es la referencia con la que el equipo compara sus medidas.

Medir el calor mientras se rompe el contacto

Para realizar el experimento, los investigadores apoyaron una punta sobre una superficie de vidrio y la retiraron de forma gradual. Al estrecharse, el contacto acaba formando una cadena de un solo átomo de grosor antes de romperse.

En los metales, este proceso puede seguirse mediante la corriente eléctrica que atraviesa la unión. Como el vidrio es un aislante eléctrico, el equipo desarrolló una sonda capaz de registrar la formación y la ruptura de los contactos a partir del calor transmitido.

La sonda consiste en una diminuta palanca de vidrio de 95 micrómetros, con un calefactor y un termómetro integrados. Funciona en condiciones de ultra alto vacío y se mantiene unos 90 grados por encima de la temperatura ambiente. Su elevada rigidez permite seguir la ruptura de los enlaces entre silicio y oxígeno.

A medida que el contacto se estrecha, el flujo de calor disminuye de forma escalonada. Tras repetir el procedimiento unas 2.000 veces, el equipo observó que el valor más frecuente antes de la ruptura final, asociado a una cadena de un solo átomo de grosor, equivalía al 40 % del límite cuántico.

Los investigadores comprobaron el resultado con una segunda sonda y otra muestra. También emplearon un análisis automático para verificar que la selección de las medidas no condicionaba la conclusión.

Por qué el desorden deja de frenar el calor

La conductancia medida supera en más de diez veces la registrada hasta ahora en uniones formadas por una sola molécula, otro tipo de contacto aislante a escala atómica. También es unas diez veces mayor que la contribución de las vibraciones al transporte de calor en contactos atómicos de oro, medida con el mismo método.

Las simulaciones realizadas en Madrid reproducen los resultados experimentales obtenidos en Colorado Boulder. Además, indican que las vibraciones atraviesan la cadena de vidrio en un régimen balístico, es decir, sin sufrir las múltiples dispersiones que dificultan el transporte de calor en un material de mayor tamaño.

La clave no reside, por tanto, en que los átomos formen una estructura ordenada o desordenada, sino en las frecuencias a las que pueden vibrar. El silicio y el oxígeno, más ligeros que el oro, permiten vibraciones de frecuencias mucho más altas. Esta propiedad, caracterizada por la frecuencia de Debye, favorece la transmisión de energía térmica a temperatura ambiente.

«Hemos comprobado que, en el límite de un solo átomo, el desorden del vidrio deja de ser un obstáculo para el calor», explica Óscar Mateos, investigador de IFIMAC y coautor del estudio. «Esta técnica abre la puerta a estudiar a temperatura ambiente efectos cuánticos del calor que hasta ahora solo podían observarse cerca del cero absoluto».

Los autores proponen utilizar este método como plataforma para investigar el comportamiento cuántico del calor a escala atómica. A más largo plazo, estos conocimientos podrían contribuir al desarrollo de diodos y transistores térmicos: dispositivos capaces de controlar el flujo de calor.

_____________________

Referencia bibliográfica:

S. C. Yelishala, Y. Zhu, P. M. Martinez, O. Mateos-Lopez, W. Xiong, D. Chooi, S. Kimura, J. C. Cuevas, J. G. Vilhena, L. Cui. Thermal conductance of atomic-scale glass reaches 40% of quantum limit. Nature Nanotechnology (2026). https://doi.org/10.1038/s41565-026-02308-9 

Más información:  UAM Gazette