Investigadores españoles resuelven un misterio de décadas sobre el calor en la nanoescala

Durante años, los físicos se han topado con un enigma desconcertante: al medir cómo se transfiere el calor entre superficies metálicas separadas por distancias nanométricas, los resultados experimentales parecían contradecir las leyes de la física. Algunos estudios mostraban transferencias de calor hasta diez mil veces superiores a lo previsto, mientras que otros registraban valores mucho menores. Esta disparidad generó una fuerte controversia y puso en entredicho los fundamentos de la física térmica en la nanoescala.

El problema no era menor. En un mundo donde los procesadores concentran miles de millones de transistores en espacios microscópicos, comprender cómo se comporta el calor en dimensiones nanométricas resulta crucial para diseñar tecnologías más eficientes y seguras.

Ahora, un equipo internacional liderado por Nicolás Agraït y Juan Carlos Cuevas, del Instituto de Física de la Materia Condensada (IFIMAC) de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), junto a Guilherme Vilhena, del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC), ha encontrado la pieza que faltaba en el rompecabezas: la formación espontánea de nanoestructuras de agua entre las superficies metálicas.

El “pegamento térmico” del agua

La idea resulta familiar a cualquiera que haya moldeado castillos de arena en la playa: el agua que se acumula entre los granos actúa como un pegamento invisible que da estabilidad a la estructura. A escala nanométrica ocurre algo parecido: moléculas de agua forman meniscos microscópicos entre metales, alterando de forma drástica el transporte de calor.

Los investigadores comprobaron que incluso en condiciones de alto vacío se crean de manera espontánea cuellos de agua de apenas 1,4 nanómetros de grosor sobre superficies de oro. Lo más relevante es que el equipo ha formulado una nueva ley universal que describe matemáticamente este fenómeno. Según explican, la conductancia térmica depende del grosor de la capa de agua, del área de contacto y de las propiedades de los materiales implicados.

“Hemos descubierto una ley universal que regula el transporte de calor en meniscos de agua nanométricos”, señalan los autores. “Este pegamento térmico invisible explica la drástica amplificación de la transferencia de calor y resuelve un misterio que mantenía bloqueado el campo del transporte térmico en la nanoescala”.

Sondas ultrasensibles y simulaciones atómicas

El hallazgo, publicado en Nature Communications, ha sido posible gracias al desarrollo de una tecnología de precisión extrema: sondas termoeléctricas-resistivas fabricadas con hilos de Wollaston soldados de platino y aleación platino-rodio, con diámetros de apenas cinco micrómetros. Integradas en un microscopio de efecto túnel modificado, estas sondas son capaces de detectar variaciones térmicas del orden de picovatios mientras registran simultáneamente la conductancia eléctrica.

La técnica emplea un enfoque multifrecuencia que permite medir al mismo tiempo las señales térmicas y eléctricas aplicando voltajes a distintas frecuencias. De este modo, el sistema actúa como un radar ultrasensible, capaz de extraer del ruido de fondo señales térmicas minúsculas.

Además de los experimentos, el equipo realizó simulaciones de dinámica molecular fuera del equilibrio mediante el software LAMMPS. Estos modelos, con un elevado número de átomos, reprodujeron con precisión las condiciones experimentales y confirmaron el papel determinante del agua en el transporte térmico a escala atómica.

Un nuevo marco para la nanoelectrónica

En conjunto, el estudio reinterpreta décadas de mediciones consideradas anómalas y establece protocolos más sólidos para futuros experimentos en este campo. A ello se suma una ventaja práctica: las nuevas sondas desarrolladas son más sencillas de fabricar que las anteriores, lo que abre la puerta a que más laboratorios puedan acceder a esta tecnología.

El descubrimiento no solo resuelve un viejo enigma, sino que redefine la manera en que la ciencia entiende y mide el flujo de calor en circuitos atómicos, una pieza esencial para el futuro de la nanoelectrónica.

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Referencia bibliográfica:

López-Nebreda, R., Mateos-Lopez, O., Martinez, P.M. et al. “Heat transfer in metallic nanometre-sized gaps.” Nat Commun 16, 7342 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62672-3 

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