Rompiendo la ley a nanoescala

Cada vez que ve un trozo de metal al rojo vivo, o que se vuelve amarillo o blanco a medida que se calienta, está viendo la ley de Planck en acción. El principio centenario, que describe cómo se irradia la energía de un objeto negro idealizado no reflectante, se aplica a todo, desde una sartén de hierro fundido hasta la superficie de una estrella. Pero resulta tener una escapatoria.

De cerca El profesor Gang Chen con la cámara de vacío utilizada en su investigación.

La ley de Planck dice que la emisión térmica de radiación a diferentes longitudes de onda sigue un patrón preciso que varía según la temperatura del objeto. Cuando el físico alemán Max Planck propuso la ley, en 1900, sospechó que no se aplicaría cuando dos objetos estuvieran muy juntos. Pero tomó hasta este año demostrar su corazonada, porque mantener los objetos tan cerca sin dejar que se toquen es un gran desafío. Ahora, los investigadores del MIT han demostrado que la transferencia de calor entre objetos separados por unos pocos nanómetros puede ser tres órdenes de magnitud mayor de lo que predeciría la ley.

Esta historia fue parte de nuestro número de noviembre de 2009

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El profesor de ingeniería energética Gang Chen y su equipo, el estudiante de posgrado Sheng Shen y el profesor de la Universidad de Columbia Arvind Narayanaswamy, PhD ‘07, describieron cómo lo hicieron en un artículo el verano pasado en la revista Nano Letters. Si usamos dos superficies paralelas, es muy difícil llegar a una escala nanométrica sin que algunas partes se toquen entre sí, explica Chen. En su lugar, utilizaron una pequeña cuenta de vidrio redonda junto a una superficie plana. Los objetos estuvieron más cerca de tocarse en un solo punto, lo que hizo que la separación fuera mucho más fácil de mantener. Los investigadores pudieron probar separaciones tan pequeñas como 10 nanómetros.

Los hallazgos podrían conducir a nuevos tipos de dispositivos fotovoltaicos para aprovechar los fotones emitidos por una fuente de calor, haciendo posible recolectar energía del calor que de otro modo se desperdiciaría. También podrían ser útiles en sistemas de grabación de datos magnéticos, como discos duros de computadora, donde el espacio entre el cabezal de grabación y la superficie del disco suele estar en el rango de cinco a seis nanómetros. La cabeza tiende a calentarse y los investigadores han estado buscando formas de controlar el calor o incluso aprovecharlo. Por ejemplo, algunos materiales de grabación deben calentarse, generalmente con un rayo láser, antes de que el cabezal pueda magnetizar sus superficies. Si los investigadores comprenden cómo funciona la transferencia de calor a estas distancias, podrían diseñar una forma para que la cabeza proporcione su propio calentamiento.

Aún se necesita más trabajo para explorar lo que sucede a distancias aún más pequeñas, dice Chen, porque los investigadores no saben exactamente cuánto calor se puede disipar en sistemas poco espaciados.

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