Materiales que manipulan el flujo del calor (II/II)

(Este artículo es continuación de Materiales que manipulan el flujo del calor (I/II). Te recomiendo que lo leas primero). 

La solución al problema estaba en usar un material con conductividad térmica anisótropa. Para hacerlo, apilaron de forma alternativa muchas capas finas de dos materiales ordinarios, uno un buen conductor térmico y el otro un buen aislante térmico. En dirección perpendicular a los planos de las capas, sus resistencias térmicas se suman en serie; y en dirección paralela a los planos, se suman en paralelo. Si se escogen bien los dos materiales, de forma que el producto de sus conductividades térmicas sea igual al cuadrado de la conductividad del material de fondo, las capas apiladas se combinan con el fondo y apenas producen distorsión en el gradiente de temperatura que las rodea.

Si se colocan las capas en círculos concéntricos, se crea un escudo térmico que aisla la región interior del cilindro de cualquier gradiente térmico. Si se ordenan de forma radial, el efecto es el contrario: se amplifica el efecto del gradiente térmico en el interior del cilindro, una tarea útil en muchas aplicaciones energéticas.

Dentro del cilindro, el calor fluye en sentido
contrario a lo que sucede fuera.

Pero cuando se disponen las capas en forma de espiral, se consigue un efecto inesperado: una inversión local de la dirección del flujo, de modo que el calor fluye de derecha a izquierda dentro del cilindro en respuesta a un flujo externo de izquierda a derecha. El calor fluye hacia la parte más fría (como siempre), sólo que las posiciones de la fuente de calor y el disipador se invierten dentro del cilindro.

Narayana y Sato están tratando de incorporar otras técnicas de ingeniería de materiales para diseñar sus materiales térmicos. Asimismo, investigan el potencial de materiales con conductividades térmicas que dependen considerablemente de la temperatura.
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Fuente:
http://www.physicstoday.org/resource/1/phtoad/v65/i7/p16_s1

Materiales que manipulan el flujo del calor (I/II)

El flujo del calor es algo que sucede a diario, allí donde hay una diferencia de temperatura. Es un concepto relativamente fácil de comprender, al menos en el nivel más básico: el calor fluye hacia la zona más fría; lo hace más rápido cuanto mayor es la diferencia de temperatura; y hay algunos materiales que favorecen el flujo más que otros.

El calor fluye de la zona caliente (rojo) a la fría (azul).

Pero si lo comparamos con el caso análogo de la corriente eléctrica, el calor es mucho más difícil de controlar o de aprovechar. Un mayor control del flujo del calor podría ayudar a proteger los sensibles componentes electrónicos de las temperaturas extremas, a sacar mejor provecho de la energía térmica solar o incluso, tal vez, a crear los análogos térmicos de los diodos y los transistores electrónicos.

Sin embargo, que sea difícil no quiere decir que sea imposible, como así lo demuestra el trabajo de Yuki Sato y su ayudante postdoctoral Supradeep Narayana, del Instituto Rowland de la Universidad de Harvard. En su investigación, han usado técnicas del campo de metamateriales para manipular el flujo del calor. Se han inspirado en los dispositivos que hacen a algunas regiones "invisibles" a ondas electromagnéticas, ondas acústicas, campos estáticos y otras señales.

Se pusieron la meta de diseñar un cilindro hueco de paredes gruesas que, cuando se le introdujera en un material con un gradiente de temperatura uniforme y perpendicular al eje del cilindro, pudiera alterar drásticamente el flujo del calor dentro del cilindro sin afectar al flujo fuera del mismo. Pero rápidamente se dieron cuenta de que ninguna sustancia ordinaria podría lograr este efecto. Un cilindro hueco de un material con una conductividad térmica mucho mayor o menor que la del material de fondo, podría disminuir el gradiente de temperatura dentro, pero a costa de distorsionarlo enormemente fuera.

¿Qué hacer entonces? ¿Se trataba de un callejón sin salida? Sal de dudas leyendo la segunda parte de este artículo.
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Fuente:
http://www.physicstoday.org/resource/1/phtoad/v65/i7/p16_s1