Modelización térmica en la nanoescala

Reducir el calentamiento en los dispositivos electrónicos es importante para mejorar tanto su eficiencia como su durabilidad, ya que la temperatura influye en las propiedades de los materiales y en los flujos de energía que se establecen. La temperatura de los «puntos calientes» que se pueden detectar en dispositivos electrónicos afecta al rendimiento de diversas tecnologías, desde teléfonos inteligentes hasta vehículos eléctricos. La capacidad de los dispositivos para funcionar a velocidades más rápidas se ha estancado en los últimos años porque el aumento de la potencia provoca un sobrecalentamiento. 

Cuando se examina el transporte de calor a escala nanométrica surgen retos porque el calor se comporta de manera diferente a escalas pequeñas y los modelos térmicos tradicionales son inadecuados para predecir su comportamiento. Uno de los retos es que es difícil predecir o medir cómo se mueve la energía vibracional en tres dimensiones a estas escalas. Existen dos teorías en competencia que pretenden explicar este comportamiento: el flujo balístico y el flujo hidrodinámico. En el marco balístico, el calor se comporta de manera análoga a la luz, con partículas portadoras de calor (fonones) individuales que rebotan de manera errática. En el marco hidrodinámico, el calor se trata como un fluido que fluye y los fonones se mueven colectivamente en concierto.

Un equipo de investigación que involucra a la Universidad de Colorado, la Universidad Estatal de Utah y la Universidad Carnegie Mellon (todas ellas de EE. UU.), con participación del profesor del Departamento de Física de la UAB Albert Beardo, ha examinado estas dos teorías y ha comparado sus predicciones computacionales con experimentos del mundo real. Aunque estos dos modelos entran en conflicto en su naturaleza, el análisis de los investigadores, publicado recientemente en la revista npj Computational Materials, del grupo Nature, aboga por una combinación de los dos enfoques con el fin de entender mejor el flujo de calor en sistemas a nanoescala.

^{Ilustración de partículas que presentan flujo balístico y flujo hidrodinámico. En el marco balístico, las partículas individuales rebotan de manera errática. En el marco hidrodinámico, las partículas fluyen de manera concertada.}

«Para construir tecnologías más rápidas y sostenibles, debemos desarrollar una mejor manera de abordar la gestión térmica», explica Ismaila Dabo, investigador de la Universidad Carnegie Mellon y coordinador de la investigación. 

Para el profesor de la UAB Albert Beardo, primer firmante del trabajo, «hay que desarrollar modelos sencillos que se centren en capturar los fenómenos físicos más significativos que limitan la relajación térmica, en lugar de pretender tener modelos intratables computacionalmente que describan la evolución mecánica de los sistemas con todo detalle».

En investigaciones futuras sobre cómo estos modelos se pueden incorporar mejor de manera conjunta, las comparaciones de los dos marcos mediante simulaciones que tengan en cuenta la interacción entre electrones y fonones puede ser clave para crear teorías mejores. La investigación pone de manifiesto «la necesidad de desarrollar técnicas experimentales de medida térmica que puedan mapear directamente el flujo de calor en geometrías tridimensionales complejas con resolución espacial de nanómetros y resolución temporal de picosegundos», concluyen los autores. 

Artículo de referencia
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 prensa de la Universidad Carnegie Mellon
https://mse.engineering.cmu.edu/news/2025/06/25-thermal-management.html