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Los transistores electrónicos son fundamentales para la electrónica moderna. Estos dispositivos controlan con precisión el flujo de electricidad, pero al hacerlo generan calor. Ahora, investigadores de la Universidad de California en Los Ángeles han desarrollado un transistor térmico de estado sólido, el primer dispositivo de este tipo que puede utilizar un campo eléctrico para controlar el flujo de calor a través de la electrónica. Su estudio, publicado recientemente en Science, demuestra las capacidades de la nueva tecnología. «Ha habido un fuerte deseo por parte de ingenieros y científicos de controlar la transferencia de calor de la misma manera que controlamos la electrónica, pero ha sido un gran desafío», dice el autor principal del estudio, Yongjie Hu, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial en UCLA. Históricamente, los dispositivos electrónicos se han enfriado con disipadores de calor que eliminan pasivamente el exceso de calor. También se han propuesto enfoques más activos para la gestión térmica, pero estos a menudo dependen de piezas o fluidos móviles y pueden llevar mucho tiempo (normalmente de minutos a horas) para aumentar o disminuir la conductividad térmica del material. Con los transistores térmicos, los investigadores pueden modular activamente el flujo de calor más rápido y con mayor precisión. Esta velocidad los convierte en una opción prometedora para gestionar el calor en dispositivos electrónicos. «Creo que estamos viviendo en una especie de renacimiento térmico». —Miguel Muñoz Rojo, Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid De forma análoga a un transistor electrónico, el transistor térmico del grupo UCLA también utiliza campos eléctricos para modular la conductancia de un canal, en este caso la conductancia térmica en lugar de la eléctrica. Esto se hace con una fina película de moléculas en forma de jaula que los investigadores diseñaron y que actúa como canal del transistor; La aplicación de un campo eléctrico fortalece los enlaces moleculares de la película, lo que aumenta su conductancia térmica. «Nuestra contribución fue literalmente de sólo una molécula delgada», dice Paul Weiss, profesor de química, bioingeniería y ciencia de materiales en UCLA y coautor del estudio. Con esa capa de una sola molécula, los investigadores pudieron alcanzar el cambio máximo. en conductividad a una frecuencia de más de 1 megahercio, varios órdenes de magnitud más rápido que otros sistemas de gestión del calor. El movimiento molecular normalmente controla el flujo de calor en otros tipos de interruptores térmicos. Pero el movimiento molecular es bastante lento en comparación con el movimiento de los electrones, explica Weiss. Aprovechando los campos eléctricos, los investigadores pueden acelerar el cambio de frecuencias de milihercios a megahercios. El movimiento molecular tampoco puede lograr una diferencia tan grande en la conductancia térmica entre el estado encendido y apagado. El dispositivo de UCLA, en comparación, logra una diferencia 13 veces mayor. «Realmente es una diferencia enorme, tanto en términos de magnitud como de velocidad», dice Weiss. Con estas mejoras, el dispositivo podría ser importante para enfriar procesadores. Los transistores son especialmente prometedores para los semiconductores porque utilizan una pequeña cantidad de energía para controlar el flujo de calor, en comparación con otras rutas de disipación activa de energía. Muchos transistores térmicos también podrían integrarse en el mismo chip de la misma manera que los transistores electrónicos, afirma Hu. En particular, los transistores térmicos podrían gestionar eficazmente el calor en nuevos diseños de semiconductores, como en los chiplets apilados en 3D, donde permitirían una mayor libertad en el diseño de los chips al reducir los puntos calientes. También pueden ayudar a enfriar la electrónica de potencia hecha de semiconductores de banda ancha como el nitruro de galio y el carburo de silicio, dice Hu. «Nuestra contribución fue literalmente de sólo una molécula de espesor». —Paul Weiss, UCLA Más allá de estas aplicaciones en electrónica, el trabajo de los investigadores de UCLA sobre transistores térmicos también podría proporcionar información sobre los mecanismos a nivel molecular de cómo las células vivas regulan la temperatura. Hu cree que puede haber un efecto similar que conecta el flujo de calor y el potencial eléctrico en nuestras células. En un proyecto independiente en curso, está estudiando los mecanismos de los canales iónicos: las proteínas que actúan como puertas para controlar el flujo de iones a través de la membrana celular. En lo que respecta al flujo de calor en el cuerpo humano, «la imagen macroscópica se ha establecido en fisiología, sin embargo, el mecanismo a nivel molecular sigue siendo en gran medida desconocido», dice Hu. “Creo que estamos viviendo una especie de renacimiento térmico”, afirma Miguel Muñoz Rojo, investigador principal del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid. Muñoz Rojo está entusiasmado con la posibilidad de que los transistores térmicos se sumen al conjunto de tecnologías de gestión del calor y está interesado en la posibilidad de utilizarlos para una amplia gama de aplicaciones a gran escala, como la refrigeración, además de la refrigeración a nanoescala de la electrónica. Él y su colega Andrej Kitanovski, profesor de ingeniería térmica en la Universidad de Ljubljana en Eslovenia, están trabajando juntos para desarrollar estas tecnologías de gestión térmica. Para Muñoz Rojo, esa gama de usos potenciales convierte a los transistores térmicos en la cúspide de la tecnología de gestión del calor. La demostración de esta tecnología es un avance apasionante y probablemente motivará más investigaciones fundamentales, afirma Geoff Wehmeyer, profesor asistente de ingeniería mecánica en la Universidad Rice de Houston. «Será interesante ver si los ingenieros térmicos pueden encontrar formas de integrar estos interruptores térmicos moleculares en sistemas de gestión térmica conmutables para electrónica o baterías». Si bien esta prueba de concepto es prometedora, la tecnología aún se encuentra en una etapa temprana de su desarrollo, Los investigadores de UCLA reconocen. En el futuro, Hu dice que su objetivo es mejorar aún más el rendimiento del dispositivo. 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