Investigadores de la Universidad de Granada han publicado nuevos datos sobre la Ley de Fourier, la conocida ley de conducción del calor de Jean-Baptiste Joseph Fourier, formulada hace 200 años, que establece la proporcionalidad entre la corriente de calor y el gradiente de temperatura en un material.
Estos resultados demuestran que la anomalía en la conductividad térmica de los materiales de baja dimensión no es universal como se pensaba hasta ahora, sino que depende de algunos detalles microscópicos del material.
Pablo Hurtado y Pedro L. Garrido, profesores del departamento de Electromagnetismo y Física de la Materia y miembros del Instituto Carlos I de Física Teórica y Computacional de la Universidad de Granada, han aportado estos nuevos datos. ‘A violation of universality in anomalous Fourier’s law’ es el título de dicho trabajo, publicado en la prestigiosa revista científica ‘Scientific Reports’, perteneciente al grupo Nature.
Ley de Fourier anómala
Hasta el momento, y de manera reciente, se sabe que los materiales de una o dos dimensiones presentan una anomalía en su conductividad térmica, que crece sin límite con el tamaño del sistema, implicando ello un transporte muy eficiente de la energía que puede acarrear un sinfín de aplicaciones.
Esta singularidad sugiere en la actualidad que es universal, dicho de otro modo, que su física es independiente de los detalles, dependiendo sólo de unas pocas características globales del sistema. Se trata de una propiedad que conforma una de las ideas más poderosas y fértiles de la física teórica, ya que explica por qué fenómenos aparentemente diferentes muestran la misma física y pueden ser comprendidos dentro del mismo marco teórico.
Ahora, este estudio liderado por la Universidad de Granada ha demostrado que la anomalía en la conductividad térmica de los materiales de baja dimensión no es universal, ya que depende de algunos detalles del material en el que se dé este fenómeno.
Para alcanzar esta conclusión, los investigadores han desarrollado un método de escala novedoso que demuestra que, a pesar de la violación de universalidad observada, existe una generalización de la ley de conducción del calor de Fourier para materiales de baja dimensión (Ley de Fourier anómala), que describe de manera precisa el transporte de energía en estos sistemas, incluso en regímenes altamente no lineales e independientemente del tamaño del sistema.
Interés tecnológico
“Estos resultados son importantes porque, por un lado, cuestionan la teoría actual basada en la hidrodinámica fluctuante, señalando la existencia de nueva física, pero al mismo tiempo nos señalan y allanan el camino (sin duda más complicado de lo que esperábamos) para resolver este problema bicentenario”, apuntan los investigadores.
De este modo, por un lado permite entender la anomalía y la violación de esta ley de conducción del calor tanto a nivel fundamental como microscópico, mientras que por otro tiene un gran interés tecnológico debido a las múltiples posibilidades que plantea su aplicación en materiales de baja dimensión.
Existen una gran cantidad de utilidades de materiales que muestran conducción térmica, siendo el ejemplo más característico el grafeno, un material bidimensional formado por láminas mono-atómicas cristalinas de carbono. Por otro lado, se encuentran también desde cadenas moleculares y nanotubos de carbono a ejemplos biológicos como la tela de araña, pasando por fibras poliméricas y nano-alambres. En conclusión, sus aplicaciones son innumerables: fonónica, transistores, diodos e interruptores térmicos, etc.
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