Demostrado el potencial de los nanotubos de carbono como refrigeradores de circuitos

En un estudio se observó que al sometérselas a la tracción mecánica, estas estructuras extraen eficazmente calor del medio. Esta propiedad puede aplicarse para enfriar dispositivos eléctricos y electrónicos flexibles

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – El enfriamiento de dispositivos eléctricos y electrónicos mediante refrigeradores de estado sólido constituye un posible despliegue tecnológico de un estudio teórico realizado en la Universidad de Campinas (Unicamp), en Brasil. Si bien esta aplicación no estaba contemplada en la referida investigación, que se llevó a cabo bajo la forma de una simulación computacional, la misma se ubica en el horizonte. Y podrá erigirse en una alternativa eficiente y ecológicamente correcta a los refrigeradores de gas comprimido, que predominan actualmente en el mercado y que tienen su cuota de aporte al deterioro de la capa de ozono y al calentamiento global.

Este estudio, coordinado por Alexandre Fonseca, que contó con la participación de su exalumno Tiago Cantuário, se llevó a cabo en el ámbito del proyecto intitulado “Nanoestructuras de carbono: simulación y modelado”, y tuvo el apoyo de la FAPESP. Y sus resultados se dieron a conocer en un artículo publicado en la revista Annalen der Physik.

“El enfriamiento mediante refrigeradores de estado sólido constituye un nuevo campo de investigación cuyos resultados son prometedores. El método que investigamos se basa en el llamado efecto elastocalórico [ECE, de acuerdo con las iniciales de la expresión en inglés], que consiste en la variación de temperatura de un sistema como respuesta a un estrés mecánico. Simulamos computacionalmente ese efecto en nanotubos de carbono”, declaró Fonseca a Agência FAPESP.

En el mundo macroscópico, un efecto análogo se observa cuando se estira rápidamente un elástico y éste se calienta. Este efecto se manifiesta si la deformación se aplica sobre el material de modo tal que el mismo no intercambie calor con el medio, esto es, en la terminología de la Física, cuando el proceso es adiabático.

“Partimos de un artículo publicado en 2016 por Sergey Lisenkov y colaboradores, intitulado Elastocaloric Effect in Carbon Nanotubes and Graphene. Ese estudio, también basado en una simulación computacional, demostró que, cuando se aplicaba una pequeña deformación de hasta un 3% de la longitud inicial a nanotubos de carbono, estos respondían con una variación de temperatura de hasta 30 °C”, dijo Fonseca.

“A diferencia del trabajo de Lisenkov, en el cual se simuló tan sólo la distensión y la compresión simple de los nanotubos, reprodujimos el proceso computacionalmente considerando un ciclo termodinámico completo. En nuestra simulación consideramos dos fases: la distensión y la relajación del nanotubo y dos intercambios de calor con dos reservorios externos. Estimamos el calor que el nanotubo extraería si estuviese en contacto ideal con un determinado medio. Y obtuvimos un buen resultado para el coeficiente de desempeño en comparación con el de otros materiales probados experimentalmente”, dijo.

El coeficiente de desempeño se define como el calor que un sistema logra extraer de una determinada zona dividido por la energía aplicada a tal fin. En el caso de una heladera doméstica, por ejemplo, esa magnitud informa cuanto calor extrae la misma de su ambiente interno en razón de la energía eléctrica consumida. Las mejores heladeras domésticas tienen coeficientes de desempeño igual a 8. Esto quiere decir que son capaces de transportar alrededor de ocho veces más energía térmica desde su interior hacia fuera que la cantidad de energía eléctrica que retiran de la red para hacerlo.

“Al simular el proceso con dos nanotubos distintos, obtuvimos los coeficientes de desempeño de 4,1 y 6,5. Son valores relativamente buenos en comparación con los de otros fenómenos de intercambio de calor”, dijo Fonseca.

El investigador apuntó también otra ventaja referente a la estructura atómico-molecular. “Sucede que con ciertos materiales, la aplicación de la fuerza de tracción hace que la muestra cambie de fase, es decir, que se modifique su estructura cristalina. En el caso del nanotubo, el efecto térmico se debe únicamente a la expansión y a la relajación de la estructura, que no se modifica. Esto constituye una ventaja pues, en general, las transformaciones de fase hacen que el material pierda paulatinamente la capacidad de efectuar la función de interés. Pero en el caso del nanotubo, este proceso no produce ninguna transformación estructural capaz de dejar defectos: los átomos se separan durante la expansión y regresan a la posición original con la relajación”, dijo.

A nanoescala

Según el investigador, existen experimentos de rotura que muestran que el nanotubo de carbono es capaz de soportar distensiones de hasta un 20%. Y esa resistencia a la deformación, aliada al alto rendimiento relacionado con el efecto elastocalórico, hace de los nanotubos de carbono materiales bastante interesantes para el desarrollo de electrónica a nanoescala.

“Sucede que un problema central de la electrónica es la refrigeración. Nuestra motivación consistió en imaginar un dispositivo que, mediante un ciclo sencillo, pudiera extraer calor de un equipo. Los nanotubos de carbono demostraron ser sumamente prometedores. Asimismo, poseen una virtud extra: son lo suficientemente pequeños como para que pueda incorporárselos a matrices poliméricas, una calidad bastante deseable en momentos en que la industria se aboca a la realización de investigaciones tendientes a obtener dispositivos electrónicos flexibles, tales como celulares plegables”, dijo.

Todo esto se inscribe en un cuadro más vasto, que es el de la sustitución de los refrigeradores gaseosos por refrigeradores sólidos, ante los cambios climáticos globales.

Puede leerse el artículo intitulado High Performance of Carbon Nanotube Refrigerators, de Tiago E. Cantuario y Alexandre F. Fonseca, en el siguiente enlace: onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/andp.201800502.

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