El exceso de calor de los dispositivos electrónicos o mecánicos es un signo o causa de un rendimiento ineficiente. En muchos casos. Por primera vez, los investigadores explotan un fenómeno termoeléctrico novedoso para construir un sensor delgado que puede visualizar el flujo de calor en tiempo real. El sensor podría construirse en el interior de dispositivos donde otros tipos de sensores no son prácticos. También es rápido, económico y fácil de fabricar utilizando métodos bien establecidos.
De acuerdo con la ley de conservación de la energía, la energía nunca se crea ni se destruye, sino que solo cambia de forma dependiendo de la interacción entre las entidades involucradas. Toda la energía eventualmente termina como calor. Para nosotros eso puede ser algo útil, por ejemplo, cuando queremos calentar nuestra casa en invierno; o perjudiciales, cuando queremos enfriar algo, o sacar el máximo provecho de una aplicación alimentada por batería. En cualquier caso, cuanto mejor podamos gestionar el comportamiento térmico de un dispositivo, mejor podremos diseñar este efecto inevitable y mejorar la eficiencia del dispositivo en cuestión. Sin embargo, es más fácil decirlo que hacerlo, ya que saber cómo fluye el calor dentro de un dispositivo complejo, en miniatura o peligroso es algo que va de lo difícil a lo imposible, dependiendo de la aplicación.
Inspirados por este problema, el profesor asociado del proyecto Tomoya Higo y el profesor Satoru Nakatsuji del Departamento de Física de la Universidad de Tokio, y su equipo, que incluía una sociedad corporativa, se propusieron encontrar una solución. « La cantidad de calor conducido a través de un material se conoce como su flujo de calor. Encontrar nuevas formas de medir esto no solo podría ayudar a mejorar la eficiencia del dispositivo, sino también la seguridad, ya que las baterías con una gestión térmica deficiente pueden ser inseguras, e incluso la salud, ya que varios problemas de salud o estilo de vida pueden estar relacionados con el calor corporal », dijo Higo. « Pero encontrar una tecnología de sensor para medir el flujo de calor, al tiempo que satisface una serie de otras condiciones, como robustez, rentabilidad, facilidad de fabricación, etc. no es fácil. Los dispositivos típicos de diodos térmicos son relativamente grandes y solo dan un valor de temperatura en un área específica, en lugar de una imagen, del flujo de calor en toda una superficie ».
El equipo exploró la forma en que un sensor de flujo de calor que consta de ciertos materiales y electrodos magnéticos especiales se comporta cuando hay patrones complejos de flujo de calor. El material magnético a base de hierro y galio exhibe un fenómeno conocido como efecto Nernst anómalo (ANE), que es donde la energía térmica se convierte inusualmente en una señal eléctrica. Sin embargo, este no es el único efecto magnético que puede convertir el calor en energía. También está el efecto Seebeck, que en realidad puede crear más energía eléctrica, pero requiere una gran cantidad de material, y los materiales son frágiles, por lo que es difícil trabajar con ellos. ANE, por otro lado, permitió al equipo diseñar su dispositivo en una lámina de plástico increíblemente delgada y maleable.
« Al encontrar los materiales magnéticos y de electrodos correctos y luego aplicarlos en un patrón repetitivo especial, creamos circuitos electrónicos microscópicos que son flexibles, robustos, baratos y fáciles de producir y, sobre todo, son muy buenos para generar datos de flujo de calor en tiempo real « , dijo Higo. « Nuestro método consiste en enrollar una lámina delgada de plástico PET transparente, fuerte y liviano como capa base, con materiales magnéticos y de electrodos pulverizados sobre ella en capas delgadas y consistentes. Luego grabamos nuestros patrones deseados en la película resultante, de manera similar a como se hacen los circuitos electrónicos ».
El equipo diseñó los circuitos de una manera particular para impulsar ANE y al mismo tiempo suprimir el efecto Seebeck, ya que esto realmente interfiere con el potencial de recopilación de datos de ANE. Los intentos anteriores de hacer esto no tuvieron éxito de ninguna manera que pudiera ampliarse fácilmente y potencialmente comercializarse, lo que convierte a este sensor en el primero de su tipo.
« Preveo ver aplicaciones posteriores como la generación de energía o los centros de datos, donde el calor impide la eficiencia. Pero a medida que el mundo se vuelve más automatizado, podríamos ver este tipo de sensores en entornos de fabricación automatizados donde podrían mejorar nuestra capacidad para predecir fallas en las máquinas, ciertos problemas de seguridad y más », dijo Nakatsuji. « Con más desarrollos, incluso podríamos ver aplicaciones médicas internas para ayudar a los médicos a producir mapas de calor internos de áreas específicas del cuerpo u órganos, para ayudar en la obtención de imágenes y el diagnóstico ».