Los científicos han visto algo mágico dentro del grafito, de lo que está hecho el lápiz: el calor se movía en ondas a la velocidad del sonido.
Eso es bastante radical por un par de razones: no se supone que el calor se mueva como una ola, generalmente se difunde y rebota en las moléculas que se mueven en todas las direcciones; Si el calor puede viajar como una ola, puede moverse en una dirección en masa lejos de su fuente, una especie de energía de un objeto. Algún día, este comportamiento de transferencia de calor en grafito podría usarse para enfriar la microelectrónica en un instante. Es decir, si pueden hacer que funcione a una temperatura razonable (estaban trabajando en temperaturas de enfriamiento de los huesos de menos 240 grados Fahrenheit, o menos 151 grados Celsius).
"Si llega a la temperatura ambiente en algunos materiales, entonces habría perspectivas para algunas aplicaciones", dijo a Live Science el investigador del estudio Keith Nelson, químico del MIT, y agregó que esta es la temperatura más alta que alguien ha visto ocurrir.
Sube al tren de calor
Los investigadores describieron el movimiento de calor "normal" usando un hervidor de agua caliente. Después de apagar el quemador, esa energía de calor golpea las moléculas de aire, que chocan entre sí y eliminan el calor en el proceso. Estas moléculas rebotan en todas las direcciones; Algunas de estas moléculas se dispersan de vuelta al hervidor. Con el tiempo, el agua de la caldera y los alrededores alcanzan el equilibrio a la misma temperatura.
En los sólidos, las moléculas no se mueven porque los átomos están bloqueados en su posición. "Lo que puede moverse son las ondas sonoras", dijo Nelson, quien habló con Live Science junto con el coautor Gang Chen, ingeniero mecánico del MIT.
Más bien, caliente los saltos sobre los fonones, o pequeños paquetes de vibración sonora; los fonones pueden rebotar y dispersarse, transportando el calor como las moléculas de aire del caldero.
Una extraña ola de calor
Eso no es lo que sucedió en este nuevo experimento.
El trabajo teórico previo de Chen predijo que el calor podría viajar como una ola al moverse a través del grafito o el grafeno. Para probar esto, los investigadores del MIT cruzaron dos rayos láser en la superficie de su grafito, creando lo que se llama un patrón de interferencia en el que había líneas paralelas de luz y ninguna luz. Esto creó el mismo patrón de regiones calentadas y no calentadas en la superficie de grafito. Luego, apuntaron otro rayo láser a la configuración para ver qué sucedió una vez que golpeó el grafito.
"Normalmente, el calor se difundiría gradualmente de las regiones calentadas a las regiones no calentadas, hasta que el patrón de temperatura desapareciera", dijo Nelson. "En cambio, el calor fluyó de las regiones calentadas a las no calentadas, y siguió fluyendo incluso después de que la temperatura se equilibró en todas partes, por lo que las regiones no calentadas eran en realidad más cálidas que las regiones calentadas originalmente". Las regiones calentadas, mientras tanto, se volvieron aún más frías que las regiones no calentadas. Y todo sucedió increíblemente rápido, aproximadamente a la misma velocidad que el sonido normalmente viaja en grafito.
"El calor fluyó mucho más rápido porque se movía en forma de ola sin dispersarse", dijo Nelson a Live Science.
¿Cómo lograron que este comportamiento extraño, que los científicos llaman "segundo sonido", ocurra en el grafito?
"Desde una perspectiva fundamental, esto no es un comportamiento ordinario. El segundo sonido solo se ha medido en un puñado de materiales, a cualquier temperatura. Cualquier cosa que observemos que esté fuera de lo común nos desafía a entenderlo y explicarlo", dijo Nelson .
Esto es lo que piensan que está sucediendo: el grafito, o un material 3D, tiene una estructura en capas en la que las capas delgadas de carbono apenas saben que la otra está allí, por lo que se comportan como el grafeno, que es un material 2D. Debido a lo que Nelson llama "baja dimensionalidad", es mucho menos probable que los fonones que transportan el calor en una capa de grafito reboten y se dispersen en otras capas. Además, los fonones que se pueden formar en el grafito tienen longitudes de onda que en su mayoría son demasiado grandes para reflejarse hacia atrás después de chocar contra los átomos en la red, un fenómeno conocido como retrodispersión. Estos pequeños paquetes de sonido se dispersan un poco, pero viajan principalmente en una dirección, lo que significa que, en promedio, pueden viajar una gran distancia mucho más rápido.
Nota del editor: Este artículo se actualizó para aclarar algunos de los métodos en el experimento y el hecho de que el calor viajó a aproximadamente la misma velocidad que el sonido viajaría a través del grafito, no del aire, como se indicó anteriormente.
