Estos nuevos materiales que cambian de forma se vuelven súper frescos, súper rápidos

Después de perder su vista a la viruela en 1759 a la edad de 2 años, John Gough desarrolló un mayor sentido del tacto. El naturalista en ciernes pronto aprendió a identificar las plantas sintiendo, tocando sus pelos con el labio inferior y sus estambres y pistilos con la lengua. De modo que cuando, de adulto, estiró rápidamente un trozo de caucho natural y sintió su repentino calor en el labio —y su posterior frialdad cuando se relajó— obtuvo lo que consideró la prueba más directa y convincente de un fenómeno curioso.

Historia original reimpreso con permiso de Revista Quanta, una publicación editorialmente independiente de la Fundación Simons cuya misión es mejorar la comprensión pública de la ciencia al cubrir los desarrollos de investigación y las tendencias en matemáticas y ciencias físicas y de la vida.

Él descrito sus observaciones en 1802, proporcionando el primer registro, al menos en inglés, de lo que ahora se conoce como el efecto elastocalórico. Es parte de una categoría más amplia de efectos calóricos, en los que algún desencadenante externo, una fuerza, presión, un campo magnético o eléctrico, induce un cambio en la temperatura de un material.

Pero los efectos calóricos se han convertido en algo más que una curiosidad.

Durante las últimas dos décadas, los investigadores han identificado materiales calóricos cada vez más poderosos. El objetivo final es construir refrigeradores y acondicionadores de aire que no dañen el medio ambiente; los dispositivos de enfriamiento calórico no filtran refrigerantes dañinos, que pueden ser miles de veces más potentes que el dióxido de carbono como gas de efecto invernadero. Pero mejores dispositivos de enfriamiento requieren mejores materiales.

Cuanto más un material puede cambiar su temperatura, más eficiente puede ser. Y en el último año, los investigadores han identificado dos tipos únicos de materiales que pueden cambiar en una cantidad sin precedentes. Uno responde a una fuerza aplicada, el otro a la presión. Ambos son capaces de cambios de temperatura (“delta T” para abreviar) de 30 grados Celsius o más.

“¿Quién hubiera pensado que obtendría un material que le diera un delta T de 30 por sí solo?” dijo Ichiro Takeuchi, científico de materiales de la Universidad de Maryland, College Park, que no formó parte de la nueva investigación. “Eso es enorme”.

Sofoco

Gough no lo sabía, pero cuando estiró su pieza de goma hace más de dos siglos, alineó las largas moléculas del interior. La alineación redujo el desorden en el sistema, desorden medido por una cantidad llamada entropía.

Según la segunda ley de la termodinámica, la entropía total de un sistema cerrado debe aumentar, o al menos permanecer constante. Si la entropía de la configuración molecular del caucho disminuye, entonces la entropía debe aumentar en otro lugar.

En una pieza de goma como la de Gough, el aumento de entropía ocurre en el movimiento vibratorio de las moléculas. Las moléculas tiemblan y este impulso en el movimiento molecular se manifiesta como calor, un calor aparentemente oculto llamado calor latente. Si la goma se estira lo suficientemente rápido, el calor latente permanece en el material y su temperatura aumenta.

Muchos materiales tienen al menos un ligero efecto elastocalórico, calentándose un poco al apretarlos o estirarlos. Pero para alcanzar cambios de temperatura lo suficientemente grandes como para ser útiles en un sistema de enfriamiento, el material necesitaría un cambio correspondiente mucho mayor en la entropía.

Los mejores materiales elastocalóricos hasta ahora son las aleaciones con memoria de forma. Funcionan debido a un cambio de fase, similar al agua líquida que se congela en hielo. En una fase, el material puede deformarse y permanecer deformado. Pero si aumenta el calor, la estructura cristalina de la aleación pasa a una fase más rígida y vuelve a la forma que tenía antes (de ahí el nombre de aleación con memoria de forma).

Un prototipo de bomba de calor elastocalórica en DTU Energy.Fotografía: Jaka Tušek / Nature Energy

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