Modelització tèrmica a la nanoescala
Una recerca internacional amb participació de la UAB compara les teories actuals per explicar com es comporta el flux de calor en els materials a escala nanomètrica, d’importància cabdal per millorar els dispositius electrònics. La recerca s’ha publicat a la revista npj Computational Materials, del grup Nature.
Reduir l’escalfament en els dispositius electrònics és important per millorar-ne tant l’eficiència com la durabilitat, ja que la temperatura influeix en les propietats dels materials i en els fluxos d’energia que s’hi estableixen. La temperatura dels «punts calents» que es poden detectar en dispositius electrònics afecta el rendiment de diverses tecnologies, des de telèfons intel·ligents fins a vehicles elèctrics. La capacitat dels dispositius per funcionar a velocitats més ràpides s’ha estancat en els darrers anys perquè l’augment de la potència provoca un sobreescalfament.
Quan s’examina el transport de calor a escala nanomètrica sorgeixen reptes perquè la calor es comporta de manera diferent a escales petites i els models tèrmics tradicionals són inadequats per predir el seu comportament. Un dels reptes és que és difícil predir o mesurar com es mou l’energia vibracional en tres dimensions a aquestes escales. Existeixen dues teories en competència que pretenen explicar aquest comportament: el flux balístic i el flux hidrodinàmic. En el marc balístic, la calor es comporta de manera anàloga a la llum, amb partícules portadores de calor (fonons) individuals que reboten de manera erràtica. En el marc hidrodinàmic, la calor es tracta com un fluid que flueix i els fonons es mouen col·lectivament en concert.
Un equip de recerca que involucra la Universitat de Colorado, la Universitat Estatal de Utah i la Universitat Carnegie Mellon (totes elles dels EUA), amb participació del professor del Departament de Física de la UAB Albert Beardo, ha examinat aquestes dues teories i ha comparat les seves prediccions computacionals amb experiments del món real. Tot i que aquests dos models entren en conflicte en la seva naturalesa, l’anàlisi dels investigadors, publicada recentment a la revista npj Computational Materials, del grup Nature, advoca per una combinació dels dos enfocaments per tal d’entendre millor el flux de calor en sistemes a nanoescala.
Il·lustració de partícules que presenten flux balístic i flux hidrodinàmic. En el marc balístic, les partícules individuals reboten de manera erràtica. En el marc hidrodinàmic, les partícules flueixen de manera concertada.
«Per tal de construir tecnologies més ràpides i sostenibles, hem de desenvolupar una millor manera d’abordar la gestió tèrmica», explica Ismaila Dabo, investigador de la Universitat Carnegie Mellon i coordinador de la recerca.
Per al professor de la UAB Albert Beardo, primer signant del treball, «cal desenvolupar models senzills que se centrin a capturar els fenòmens físics més significatius que limiten la relaxació tèrmica, en lloc de pretendre tenir models intractables computacionalment que descriguin l’evolució mecànica dels sistemes en tot detall».
En investigacions futures sobre com aquests models es poden incorporar millor de manera conjunta, les comparacions dels dos marcs mitjançant simulacions que tinguin en compte la interacció entre electrons i fonons pot ser clau per crear millors teories. La recerca posa de manifest «la necessitat de desenvolupar tècniques experimentals de mesura tèrmica que puguin mapar directament el flux de calor en geometries tridimensionals complexes amb resolució espacial de nanòmetres i resolució temporal de picosegons», conclouen els autors.
Article de referència
Beardo, A., Chen, W., McBennett, B. et al. Nanoscale confinement of phonon flow and heat transport. npj Comput Mater 11, 172 (2025). https://doi.org/10.1038/s41524-025-01593-7
Nota de premsa de la Universitat Carnegie Mellon
https://mse.engineering.cmu.edu/news/2025/06/25-thermal-management.html