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Ilustración de un cristal de arseniuro de boro colocado entre dos diamantes en una cámara controlada con energía térmica transportada a presión extrema. Crédito: The H-Lab/UCLA
Las altas presiones representan entornos extremos y ofrecen oportunidades para el descubrimiento de materiales. El transporte térmico bajo alta presión hidrostática se ha investigado durante más de 100 años, y todas las mediciones de los cristales han indicado hasta ahora una conductividad térmica de la red que aumenta monotónicamente.
Los investigadores de la UCLA y sus colegas han descubierto un nuevo principio físico que rige la transferencia de calor a través de los materiales. Este descubrimiento desafía la creencia de que el calor siempre va más rápido al aumentar la presión.
El arseniuro de boro es un material prometedor para la gestión del calor y la electrónica avanzada. Los científicos de este estudio descubrieron que el material también tiene una propiedad única. Tras alcanzar una presión extremadamente alta, cientos de veces mayor que la que se encuentra en el fondo del océano, la conductividad térmica del arseniuro de boro empieza a disminuir.
Los hallazgos implican que pueden producirse fenómenos similares en otros materiales en circunstancias adversas. El desarrollo también podría crear materiales innovadores para sistemas energéticos inteligentes con "ventanas de presión" incorporadas, lo que permitiría al sistema encenderse sólo dentro de un rango de presión específico antes de apagarse automáticamente cuando la presión alcance un punto máximo.
El director del estudio, Yongjie Hu, profesor asociado de ingeniería mecánica y aeroespacial en la Escuela de Ingeniería Samueli de la UCLA, declaró: "Este hallazgo fundamental de la investigación demuestra que la regla general de la dependencia de la presión empieza a fallar en condiciones extremas. Esperamos que este estudio no sólo proporcione un punto de referencia para revisar potencialmente la comprensión actual del movimiento del calor, sino que también podría repercutir en las predicciones de modelos establecidos para condiciones extremas, como las que se encuentran en el interior de la Tierra, donde no es posible realizar mediciones directas."
Conductividad térmica medida a partir de un experimento de espectroscopia in situ que muestra la ralentización de la actividad bajo alta presión. Crédito: The H-Lab/UCLA
"El avance de la investigación también puede llevar a retocar las técnicas estándar utilizadas en los estudios de las ondas de choque".
Las vibraciones atómicas son la principal forma en que el calor se mueve a través de la mayoría de los materiales. El calor puede atravesar un material más rápidamente, átomo a átomo, a medida que la presión obliga a los átomos de su interior a acercarse. Este proceso continúa hasta que la estructura del material se desintegra o cambia a una fase diferente.
Sin embargo, esto no se aplica al arseniuro de boro. Según los científicos, el calor comenzó a moverse más lentamente bajo una presión extrema, lo que sugiere una posible interferencia causada por las diferentes formas en que el calor vibra a través de la estructura a medida que aumenta la presión, de forma similar a las ondas superpuestas que se cancelan entre sí. Estas interferencias implican interacciones de orden superior que no pueden explicarse con la física de los libros de texto.
Abby Kavner, coautora del estudio y profesora de ciencias de la Tierra, planetarias y espaciales de la UCLA, afirma: "Si se puede aplicar al interior de los planetas, esto podría sugerir un mecanismo para una "ventana térmica" interna, una capa interna dentro del planeta en la que los mecanismos de flujo de calor son diferentes de los que están por debajo y por encima. Una capa como ésta podría generar un comportamiento dinámico interesante en los interiores de los grandes planetas".
Los científicos apretaron un cristal de arseniuro de boro entre dos diamantes en una cámara controlada para proporcionar las condiciones de presión extraordinariamente altas necesarias para sus experimentos de transferencia de calor. A continuación, utilizaron métodos avanzados de obtención de imágenes, como la óptica ultrarrápida y las mediciones de dispersión inelástica de rayos X, junto con la teoría cuántica, para ver y confirmar el fenómeno no descubierto hasta entonces.
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