Descobreixen un comportament sorprenent dels fluxos de calor en els semiconductors ultraprims
Un estudi liderat per investigadors de l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2), la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), la Universitat de Tecnologia d’Eindhoven (TU/e) i la Universitat McGill, descriu un nou règim de transport de calor en materials bidimensionals amb propietats sorprenents: calor que flueix lentament com la mel i, fins i tot, en sentit contrari a l’esperat, de zones fredes a calentes. Les troballes, publicades avui a Nature Physics, obren la porta a noves maneres de controlar el flux de calor sense alterar l’estructura dels materials, amb aplicacions potencials en la gestió tèrmica i la conversió d’energia termoelèctrica.
Controlar el flux de calor és un gran repte per a moltes tecnologies. Per exemple, la dissipació de calor pot limitar el rendiment i l’eficiència de dispositius electrònics i fotònics i també el seu potencial per a una futura miniaturització. Al mateix temps, els materials bidimensionals (2D), formats per capes de només uns pocs àtoms de gruix, han emergit com una plataforma prometedora en aquests camps. Per exemple, s’espera que els semiconductors 2D s’utilitzin en canals de conducció de futurs transistors. Tanmateix, el seu comportament tèrmic continua sent difícil de predir i controlar.
Un equip internacional liderat per investigadors de l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2), la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), la Universitat de Tecnologia d’Eindhoven (TU/e, Països Baixos) i la Universitat McGill (el Canadà) ha descobert un nou règim de transport de calor en materials ultrafins. L’estudi mostra que en semiconductors 2D, en particular el disulfur de molibdè (MoS₂) i el diseleniur de molibdè (MoSe₂), la calor pot comportar-se d’una manera completament nova, coneguda com a transport hidrotermoelàstic, on la difusió tèrmica es veu molt dificultada. Aquestes troballes, publicades a Nature Physics, podrien tenir un impacte significatiu en el desenvolupament de noves estratègies per a la gestió tèrmica en dispositius.
Una combinació de fenòmens inesperats
En condicions normals, la calor es propaga gradualment des de regions calentes fins a zones fredes. Tanmateix, en aquests materials ultraprims, es produeixen efectes més complexos. Com assenyala Sebin Varghese, de la Universitat de Tecnologia d’Eindhoven i primer autor de l’article: «Els nostres resultats desafien la imatge convencional del transport difusor de calor i revelen un mecanisme de transport més ric i complex en semiconductors ultraprims.» Un dels efectes que es produeix és el que s’anomena hidrodinàmica dels fonons, en què la calor es transporta col·lectivament i es comporta com un fluid viscós semblant a la mel. Al mateix temps, l’escalfament indueix deformacions mecàniques en el material, que al seu torn afecten el desplaçament de la calor. Tot i que aquests tipus d’efectes ja eren coneguts, mai no s’havien observat en aquest tipus de materials.
La interacció d’aquests fenòmens provoca un comportament inesperat: la calor es propaga molt més lentament del previst i la difusivitat tèrmica (la magnitud que indica com de ràpid es propaga en un material) es redueix fins a deu vegades. Per arribar a aquestes conclusions, els investigadors van utilitzar una tècnica optotèrmica avançada que els va permetre seguir el flux de calor en temps real amb resolució nanomètrica. El professor del Departament de Física de la UAB F. Xavier Alvarez, que va liderar la part teòrica del treball, assenyala que «per primera vegada, observem com l'estrès mecànic pot redirigir, i fins i tot obstruir, el flux de calor en un material»
La calor pot fluir en sentit contrari?
Els experiments mostren que, en aquests materials ultraprims, la calor tendeix a mantenir-se concentrada al voltant de la regió escalfada més temps del previst. Això passa perquè l’escalfament provoca deformacions del material que alteren la manera com la calor es mou a través del material, fins i tot empenyent el flux de calor en direccions inesperades.
Com explica el professor Klaas-Jan Tielrooij (ICN2 i TU/e), que va liderar l’estudi: «El que més ens va sorprendre és que la calor pot, sota certes condicions, resistir-se a sortir de la regió calenta, cosa que es deu a les contribucions al flux de calor que apunten de regions fredes a calentes, en lloc del flux convencional que apunta de zones calentes a fredes. Això obre una manera completament nova de controlar el flux de calor de manera intrínseca, sense necessitat de modificar l’estructura del material.»
Aquest descobriment aporta una nova visió fonamental sobre com es transporta la calor a escala nanomètrica i podria obrir el camí per dissenyar dispositius electrònics, fotònics i tèrmics amb noves funcionalitats. La capacitat de controlar la calor, en lloc de simplement dissipar-la, podria ser clau per a futures tecnologies que permetin des de millorar la gestió tèrmica dels xips fins a fer els sistemes termoelèctrics més eficients.
Article de referència:
Varghese, S.; Tur-Prats, J.; Mehew, J.D.; Saleta Reig, D.; Farris, R.; Camacho, J.; Haibeh, J.A.; Sokolov, A.; Ordejón, P.; Huberman, S.; Beardo, A.; Álvarez, F.X.; Tielrooij, K.J. Controllable hydro-thermoelastic heat transport in ultrathin semiconductors at room temperature. Nature Physics. (2026). DOI: 10.1038/s41567-026-03297-1. https://www.nature.com/articles/s41567-026-03297-1