Un radiómetro nanotecnológico con sello español

Dibujo20151214 Schematic cross-section of the tip of the probe and SEM images of the SiN coated scanning probe used nature16070-s2

El microscopio de efecto túnel (STM) permite tomar imágenes de atómos con una resolución menor de 0,1 nanómetros. Se publica en Nature el primer radiómetro capaz de medir el calor radiante en una escala inferior a 10 nanómetros. Víctor Fernández-Hurtado y Juan Carlos Cuevas (IFIMAC, Univ. Autónoma de Madrid, España), Francisco J. García-Vidal (DIPC, Donostia/San Sebastián, España), y varios colegas internacionales se inspiran en el STM para revolucionar el campo de la radiometría.

Explorar la transferencia de calor radiante de campo extremadamente cercano promete revolucionar la nanotermología. Los primeros resultados experimentales están en excelente acuerdo con la teoría electrodinámica de fluctuaciones térmicas en la nanoescala. El nuevo nanoradiómetro permitirá el desarrollo de nuevas tecnologías que aprovechen la transferencia de calor por radiación en la nanoescala.

El artículo es Kyeongtae Kim et al., “Radiative heat transfer in the extreme near field,” Nature 528: 387–391 (17 Dec 2015), doi: 10.1038/nature16070.

Dibujo20151214 Experimental set-up and SEM images of SThM probes and suspended microdevices nature16070-f1

En la transferencia de calor por radiación se habla de campo lejano cuando se supera la longitud de onda de Wien (~10 micrómetros a temperatura ambiente) y de campo cercano por debajo de esta longitud. En la última década hemos asistido a gran números de avances técnicos que han permitido estudiar la radiación térmica en el campo cercano hasta los 20 nanómetros. Por debajo de esta escala hay pocos estudios y sus resultados son contradictorios, con algunos apuntando a desviaciones con respecto a los modelos electrodinámicos para las fluctuaciones térmicas. Como estos modelos teóricos se usan para diseñar nuevos nanodispositivos térmicos, estas posibles desviaciones conllevan limitaciones en el desarrollo de nuevas tecnologías.

Dibujo20151214 Experimental data Measured deltaTP from unheated probe until tip contacts the substrate nature16070-f2

No quiero entrar en los detalles de diseño y fabricación del nuevo radiómetro (las figuras son bastante ilustrativas y los interesados en más información pueden consultar el artículo). En mi opinión, lo más importante son los resultados obtenidos. Se ha calentado el sustrato a unos TS = 425 K, manteniendo la sonda del nanoradiómetro a TR  = 310 K, mientras se ha variado su altura de unos 50 nm hasta el contacto sonda-sustrato (momento en el que la temperatura crece de forma muy brusca). Las diferencias de temperatura medidas durante los experimentos, ΔTP  =  TP − TR, están en buen acuerdo con las expectativas teóricas.

Dibujo20151214 Measured extreme near-field thermal conductances for dielectric and metal surfaces nature16070-f3

El acuerdo tan notable entre las medidas experimentales y las predicciones computacionales es una gran noticia, pero plantea dudas sobre los resultados de otros experimentos recientes. Por ello, en el nuevo trabajo se han repetido algunas de dichas medidas. Con el nuevo nanoradiómetro el desacuerdo entre las predicciones de la teoría de las fluctuaciones electrodinámicas y dichos experimentos desaparece. De hecho, los autores han fabricado varios sondas con diferentes diámetros (~350 nm, ~450 nm y ~900 nm) para la cabeza esférica de la nanopuntas. En todos los casos el acuerdo entre experimento y teoría se alcanza sin problemas. Ahora el guante está en manos de los autores de estudios previos, que tendrán que justificar el porqué sus resultados diferían de la teoría.

En resumen, un gran avance en nanotermología el que han intervenido científicos españoles. Los nuevos nanoradiómetros prometen convertirse en el estándar para la caracterización de la transferencia de calor por radiación en el campo extremadamente cercano. Gracias a este avance se espera toda una explosión de nuevos dispositivos nanotérmicos que podrán ser diseñados con garantías de éxito usando los modelos teóricos actuales.


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