Controlan el flujo de calor a escala molecular mediante interferencia de fonones

Un equipo internacional, con participación de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC), ha logrado observar por primera vez la interferencia de fonones —vibraciones que transportan el calor en los sólidos— en una unión formada por una sola molécula a temperatura ambiente. 

El hallazgo, publicado en Nature Materials, representa un avance clave en el control del flujo térmico a escala molecular. En concreto, abre la puerta al desarrollo de tecnologías capaces de dirigir el calor como si se tratara del tráfico urbano: bloqueando rutas, creando atajos o estableciendo vías de un solo sentido. Esto podría transformar la gestión energética en dispositivos electrónicos y sistemas térmicos.

Más allá del ámbito electrónico, el descubrimiento plantea un nuevo paradigma para la ingeniería térmica y el diseño de materiales inteligentes. Entre las aplicaciones potenciales se encuentran ventanas que regulan el calor según la estación, sistemas para aprovechar el calor residual en procesos industriales e incluso componentes para misiones espaciales, donde la gestión térmica es crítica.

“Estamos asistiendo al nacimiento de una nueva disciplina: la fonónica cuántica. Así como la electrónica cuántica revolucionó las comunicaciones y la computación, el control cuántico del calor podría tener un impacto similar”, declaran los autores.

El estudio fue liderado por Longji Cui, Guilherme Vilhena y Wei Zhang, y contó también con la participación del Instituto de Química de Compuestos Organometálicos (ICCOM-CNR, Italia) y la Universidad de Colorado (Estados Unidos).

Naturaleza ondulatoria 

El calor, en su forma más fundamental, se transmite a través de una sinfonía de vibraciones atómicas. En los materiales convencionales, estas vibraciones —los fonones— se propagan de forma ordenada desde las regiones más calientes hacia las más frías, como una orquesta bien coordinada. Sin embargo, el nuevo estudio demuestra que, a escala molecular, estas ondas pueden interferir entre sí, de manera similar a como lo hacen las ondas de sonido o de luz, amplificándose o anulándose mutuamente.

Para demostrarlo, el equipo analizó dos versiones de una misma molécula, oligo(fenileno etinileno)₃, que solo se diferenciaban por una leve modificación en la configuración de sus anillos centrales. A pesar de esta mínima variación estructural, la diferencia fue significativa: una reducción del 40 % en la conductancia térmica, atribuida a un fenómeno de interferencia destructiva entre fonones.

“Lo que estamos observando es la naturaleza ondulatoria del calor manifestándose a escala molecular”, explica Pablo Martínez, coautor del estudio e investigador en la Universidad Autónoma de Madrid. “Estas ondas pueden interferir entre sí, como ocurre con la luz o el sonido, lo que nos permite manipular el flujo térmico de formas antes impensables”.

Microscopio térmico

Para captar un fenómeno tan sutil como la interferencia de fonones a escala molecular, el equipo desarrolló una sonda térmica de barrido con una sensibilidad sin precedentes, equipada con un termómetro resistivo de nitruro de niobio (NbN).

Esta especie de “microscopio térmico” funciona como un radar ultrasensible, capaz de detectar señales térmicas imperceptibles para los instrumentos convencionales. Su diseño incorpora una "punta gemela" que minimiza el ruido ambiental y permite aislar con claridad la señal térmica procedente de una sola molécula. Según los investigadores, “es comparable a detectar el aleteo de una mariposa en medio del bullicio de una ciudad”.

“Hasta ahora, este tipo de interferencia solo se había logrado observar a temperaturas cercanas al cero absoluto —agregan los autores—. La posibilidad de detectarla a temperatura ambiente multiplica su potencial para futuras aplicaciones tecnológicas”.

Hacia materiales con inteligencia térmica

Las implicaciones de este descubrimiento son especialmente prometedoras en un momento en que la gestión del calor representa uno de los principales desafíos tecnológicos. Desde teléfonos móviles que se recalientan hasta centros de datos que consumen tanta energía en refrigeración como en procesamiento, la capacidad de controlar el flujo térmico es clave para mejorar la eficiencia energética.

“Podríamos diseñar materiales que funcionen como válvulas térmicas, capaces de dirigir el calor solo en ciertas direcciones”, explica Juan Carlos Cuevas, coautor del estudio e investigador en la UAM y el CSIC. “Sería como construir autopistas unidireccionales para el calor, algo que hasta ahora desafiaba las leyes clásicas de la termodinámica”.

Las simulaciones realizadas por el equipo, que integran modelos de mecánica cuántica y dinámica molecular, confirmaron que este fenómeno de interferencia persiste incluso a temperatura ambiente. Es, en palabras del equipo, “una especie de mensaje en código que sigue siendo legible incluso en medio del ruido”.

El control preciso del flujo térmico a nivel molecular podría dar lugar a una nueva generación de tecnologías: diodos térmicos, materiales termoeléctricos avanzados para recuperar energía residual, o aislantes ultradelgados con aplicaciones industriales y espaciales.

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Referencia bibliográfica:

Yelishala, S.C., Zhu, Y., Martinez, P.M. et al. Phonon interference in single-molecule junctions. Nat. Mater. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02195-w  

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