El equipo de investigación de la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Columbia ha descubierto recientemente un material de vidrio cristalino híbrido con características únicas de conducción térmica, que promete avances en tecnologías de gestión térmica para dispositivos electrónicos, recuperación de calor residual y aeroespacial. Los resultados de esta investigación se publicaron el 11 de julio en Proceedings of the National Academy of Sciences. Este artículo explora cómo el aumento de la desorden en la estructura atómica de los materiales afecta la conducción térmica macroscópica, una característica clave para las tecnologías de gestión térmica. Los materiales de la investigación incluyen cuarzo crisotilo cristalino (izquierda), fase de cuarzo crisotilo con orden cristalino y geometría de enlaces amorfa (centro) y vidrio de dióxido de silicio completamente amorfo (derecha). Rojo representa oxígeno (O), azul representa silicio (Si), y las arreglos comunes de tetraedros SiO4 se destacan con sombreado azul

El equipo internacional de investigación, liderado por la profesora asistente de Física Aplicada y Matemáticas Aplicadas Michele Simoncelli, combinó teoría cuántica mecánica y técnicas de aprendizaje automático para predecir y verificar exitosamente las características de conducción térmica de un material especial de dióxido de silicio. Este material, conocido como "cristobalita", se descubrió inicialmente en meteoritos y también se confirmó en Marte, y su conductividad térmica permanece estable en el rango de temperatura de 80 K a 380 K.

"Por primera vez, hemos predicho teóricamente y verificado experimentalmente que un material exhibe simultáneamente características de conducción térmica de cristal y vidrio", indicó Simoncelli. Esta investigación se basa en la teoría unificada propuesta por el equipo en 2019, que explica exitosamente los fenómenos de conducción térmica radicalmente diferentes en cristales y vidrios.

El equipo experimental de la Universidad de Sorbona en Francia probó muestras del meteorito Steinbach de 1724 en Alemania, confirmando las predicciones teóricas. El responsable experimental, Etienne Balan, señaló: "El comportamiento de conducción térmica de este material es similar al famoso efecto inverso, proporcionando nuevas ideas para el control térmico bajo diferencias extremas de temperatura".

Este descubrimiento tiene un valor de aplicación industrial significativo. La investigación indica que los ladrillos refractarios de acerías pueden formar estructuras similares después de un uso prolongado. El equipo de Simoncelli cree que los nuevos materiales desarrollados basados en este descubrimiento pueden mejorar la eficiencia térmica del proceso de fabricación de acero, proporcionando soporte técnico para reducir las emisiones de carbono en la industria del acero.

El equipo de investigación está expandiendo este descubrimiento a áreas de aplicación más amplias. A través de cálculos de primeros principios asistidos por inteligencia artificial, están dedicados a desarrollar nuevos materiales termoeléctricos, celdas solares de perovskita y recubrimientos de barrera térmica. Estas tecnologías tienen el potencial de impulsar el desarrollo en campos emergentes como dispositivos wearables y computación neuromórfica.