DISIPACION DE CALOR MEDIANTE CRISTALES FERROELECTRICOS

cristales ferroelectricosDisipación de calor mediante cristales ferroeléctricos y el efecto electrocalórico
Se ha descubierto un nuevo y eficiente modo de bombear calor utilizando cristales especiales. Estos cristales pueden inyectar o extraer calor, incluso a escala nanométrica, por lo que podrían ser usados en chips de ordenador para evitar el sobrecalentamiento, que es actualmente un obstáculo importante para lograr velocidades más altas en los ordenadores.
El equipo de Ronald Cohen, del Laboratorio Geofísico en el Instituto Carnegie de Ciencia, en Washington, D.C., y Maimon Rose, ahora en la Universidad de Chicago, realizó simulaciones sobre cristales ferroeléctricos, que son materiales que tienen polarización eléctrica en ausencia de un campo eléctrico.
La polarización eléctrica se puede revertir aplicando un campo eléctrico externo.
Los científicos encontraron que la introducción de un campo eléctrico provoca un cambio de temperatura gigantesco en el material, lo cual es un fenómeno conocido como efecto electrocalórico.
El efecto electrocalórico permite así bombear calor por medio de un campo eléctrico aplicado.
Simulación de la dinámica molecular del material utilizado.
Desde la década de 1930, se conoce este efecto, pero no había sido aprovechado porque se venían usando materiales con altas temperaturas de transición.
Los autores del nuevo estudio han comprobado que el efecto es considerablemente mayor si la temperatura ambiente está bien por encima de la temperatura de transición, así que es mejor usar materiales con una temperatura de transición baja.

¿QUÉ ES LA RESISTENCIA ELÉCTRICA?

La resistencia eléctrica es la medición de la propiedad de los cuerpos de conducir y oponerse al paso de la corriente eléctrica.
El campo de interacción de un átomo está relacionado directamente con la cantidad de energía que éste tiene, limitado por un nivel de energía fijo. Cuando estos niveles o campos de energía están muy juntos, se les llama “banda de energía”, las más importantes son la “banda de valencia” y la “banda de conducción” (generalmente la banda de valencia está por debajo de la banda de conducción). En la banda de conducción es donde los electrones se mueven libremente en el material cuando existe un campo eléctrico que afecta al material. En materiales como aislantes y semiconductores, existe una “banda de energía prohibida” entre las “banda de valencia” y la “banda de conducción” que los electrones no pueden ocupar si no tienen suficiente energía para saltar de la banda de valencia hacia la banda de conducción. Esta “banda de energía prohibida”, influida por el campo eléctrico de las partículas y de las vibraciones causadas en ellas por la temperatura, es la que da la característica de “resistividad” al átomo, mientras mayor es esta banda, mayor es la resistencia.
La resistencia de un material macroscópico también dependerá de su geometría. Si es muy largo, requerirá mayor número de colisiones para transportarse generando mayor resistencia, y si es muy delgado, habrá menores electrones disponibles para transportar la energía, generando mayor resistencia. La unidad de resistencia puede medirse matemáticamente, su unidad es el ohm, que se define como la resistencia que se opone al paso de electrones. La resistencia disipa la energía en forma de “fonones” o vibraciones de calor generando entropía.
La electricidad se conduce mejor en algunos materiales que en otros. De acuerdo a su resistencia, los materiales se clasifican en conductores (poca oposición al intercambio de electrones), aislantes (no permiten el paso de electrones), semiconductores (bajo ciertas condiciones son conductores, y cuando no se dan, como aislantes).
Los mejores conductores eléctricos son en su mayoría metales como la plata (15.9 ohm), cobre (17.1), oro (22.1 ohm), aluminio (26.5 ohm), berilio (altamente tóxico y costoso), tungsteno (52.8 ohm) y zinc (59 ohm) y no metales como el calcio (casi no es usado debido a su alta reactividad con oxígeno y agua).
Los mejores aislantes eléctricos son el teflón, el PET, el cuarzo, la parafina, el aire, el azufre, el hule, el carbono en forma de diamante, el vidrio y el agua sin iones.
Como semiconductores eléctricos pudieran usarse el agua de mar, el silicón o el agua compuesto de galio y arsénico. En general la resistividad de los semiconductores disminuye cuando aumenta la temperatura, pues los electrones adquieren acceso a la banda de conducción gracias a la energía térmica.
A medida que la temperatura del conductor desciende, la resistencia desciende. En un superconductor, la resistencia cae abruptamente a cero cuando el material es enfriado por debajo de su temperatura crítica.

SISTEMAS MICROELECTROMECÁNICOS RESISTENTES A LA RADIACTIVIDAD

Unos dispositivos mecánicos microscópicos recién diseñados y que pueden resistir una radiación y un calor intensos, podrán ser usados en circuitos de robots y ordenadores expuestos a radiación en el espacio, en centrales nucleares dañadas o incluso en el hipotético escenario de un ataque con armamento atómico.
Los creadores de la tecnología, de la Universidad de Utah, Estados Unidos, han mostrado que los dispositivos siguen funcionando a pesar de estar expuestos a una radiación ionizante y un calor intensos al tenerlos durante dos horas en el núcleo de un reactor usado en dicha universidad para investigación. También han construido circuitos sencillos con los dispositivos.
La radiación ionizante puede “freír” rápidamente a los circuitos electrónicos, así que se debe dotar de un grueso blindaje a robots como los enviados a ayudar a contener las fusiones de núcleo en los reactores de la central nuclear de Fukushima Daiichi después del terremoto y el tsunami catastróficos de Japón en 2011.
En cuestión de horas o incluso minutos, un robot sin la protección adecuada deja de funcionar cuando está sometido a un alto nivel de radiactividad.
Las tecnologías actuales resistentes a la radiación se clasifican en dos categorías: Por un lado, está la de los componentes electrónicos convencionales de óxido de silicio a los que se blinda con plomo u otros metales. Por el otro lado, está la tecnología de los chips hechos con materiales distintos que son intrínsecamente resistentes a la radiación.
Puertas lógicas con la nueva tecnología. (Foto: Massood Tabib-Azar, University of Utah)
El equipo de Massood Tabib-Azar, profesor de ingeniería electrónica y de computación en la Universidad de Utah, ha desarrollado una tercera clase de tecnología, que sigue funcionando en presencia de radiaciones ionizantes y que por tanto puede proporcionar potencia de cálculo en infraestructuras de defensa críticas. Los dispositivos que constituyen esta nueva tecnología también pueden ser usados en sondas espaciales enviadas lejos de la Tierra y expuestas por tanto a radiación ionizante cósmica, así como en robots para misiones de reparación en el interior de centrales nucleares con escapes radiactivos.
Los nuevos dispositivos son “puertas lógicas” que realizan operaciones lógicas tales como “AND” o “NOT” y son de un tipo de dispositivos conocidos como sistemas microelectromecánicos (MEMS). Cada puerta sustituye de 6 a 14 interruptores hechos de componentes electrónicos convencionales de silicio.
En el trabajo de investigación y desarrollo también han intervenido Faisal Chowdhury de la Universidad de Utah y Daniel Saab de la Universidad Case Western Reserve en Cleveland, Ohio.
NCYT