El Material Cuántico que se Enfría AL SOL | Rompiendo la Ley de Planck
Los materiales cuánticos llevan décadas cambiando el mundo gracias a sus propiedades
fuera de lo ordinario. Debería estar ya acostumbrado, pero lo que os traigo hoy, me dejó en su
momento helado. Os lo cuento: unos investigadores de la universidad
de Standford dejaron un extraño dispositivo en el tejado de su edificio. No llevaba ninguna
batería ni estaba conectado eléctricamente a nada. Ese mediodía hacía fresco, los termómetros
marcaban unos 17 grados, pero la falta de nubes hacía que el sol pegara fuerte. El
aluminio de las ventanas expuestas casi alcanzaban los 40 grados, y la pintura negra de las paredes
ardía a 80. ¿Queréis saber qué temperatura registraba el dispositivo que habían dejado
en el tejado? Estaba a unos 12 grados, 5 grados por debajo de la temperatura ambiente. Sin
refrigeración de ningún tipo, el dispositivo se había enfriado solo a plena luz del día.
¿Cómo es posible esto? Parte del truco estaba en la reflectividad
de su capa superior; una grandísima parte de la luz rebotaba, no se absorbía y no calentaba
el bicho, pero ¿que la temperatura baje por debajo de la del ambiente? ¿qué clase de
magia es esta? El secreto está en que el material usa inteligentemente
una ley de la física muy antigua: la ley de Planck de emisión del cuerpo negro. Ya
tenemos un vídeo en el canal hablando del origen de esta ley, pero el resumen es que
todo cuerpo con una cierta temperatura brilla; las partículas cargadas que nos forman, al
moverse, agitan el campo electromagnético a su alrededor produciendo radiación. Dependiendo
de lo potente que sea esta agitación, es decir, cual sea la temperatura del cuerpo,
la radiación que emite es distinta. El sol, a sus 6000 grados, emite principalmente luz
visible (en especial, verde), nosotros, por estar a 36 grados, emitimos en el borde de
los infrarrojos e incluso un objeto a solo unos grados por encima del cero absoluto emite
microondas. La ley que te dice qué “colores” va a emanar del cuerpo y cómo de intensos
van a ser, es la ley de Planck. Y tiene en parte ese status de ley porque su derivación
es impoluta… salvo por un detalle que los físicos de la materia condensada están aprovechando.
Mirad: cuando una onda electromagnética se produce en el interior de un objeto y quiere
salir, tiene que enfrentarse a la interfase entre el material y el aire. Si esta onda
se propaga más o menos perpendicular a la superficie saldrá sin problemas y la detectaremos
como radiación, pero si lo hace lo bastante inclinada se producirá el fenómeno de la
reflexión total interna: la onda rebotará en la interfase como si fuera un espejo y
no la veremos salir (¡puede que hayas experimentado esto desde el fondo de una piscina!). Ahora,
nada en la naturaleza es 100% brusco; no se puede pasar de tener luz atravesando medios
a no tener nada. Las discontinuidades de verdad no le molan a la naturaleza, y las mates lo
confirman. Si te haces las cuentas, descubrirás que sí hay onda electromagnética que está
pasando de un medio a otro, como si una pequeñísima porción de la primera estuviera consiguiendo
pasar. Esta es una onda evanescente, un buen nombre porque no consigue avanzar mucho. En
cuestión de unas micras se ha desvanecido. Es por eso que estas ondas en la práctica
no tienen ningún impacto en nuestra vidas y es la razón por la que montones de derivaciones
teóricas como la Ley Planck las omiten. Pero, claro, ¿qué ocurriría si acercamos dos
superficies una barbaridad, tal que la distancia entre ellas sea de nanómetros? Entonces las
condiciones para la onda evanescente han cambiado, en vez de amortiguarse en el vacío, penetra
en el otro material y se propaga con normalidad. Es decir, que ahora no solo las ondas que
incidan con el ángulo correcto van a poder radiar hacia fuera, las que se reflejan en
la superficie también contribuyen: la transferencia de energía que sucede entre la dos superficies
es muchísimo mayor de lo que dicta la ley de Planck.
Y este aumento de la intensidad no es la única manera en la que los físicos han conseguido
“romperla”. Al fin y al cabo, la radiación que emite un cuerpo proviene de sus cargas
vibrando y dependiendo de la estructura del material unas frecuencias de vibración se
van a ver privilegiadas frente a otras. Asi que fabricando un material cuya red tenga
la forma correcta, puedes modificar casi a medida lo predicho por la ley de Planck.
Es justo explotando esto como el dispositivo de antes consigue enfriarse tanto. Veréis,
el aire que nos rodea es muy sensible a ciertos tipos de infrarrojos. Estas ondas electromagnéticas
tienen exactamente la energía para activar las vibraciones y rotaciones de las moléculas
que lo forman. Es decir que, cuando un cuerpo intenta perder energía radiando, a temperatura
ambiente, infrarrojos, esa energía es rápidamente absorbida por las moléculas cerca de él,
calentando el entorno y, por ende, a la fuente original. Es como intentar desprenderse de
una pelota, y que, parcialmente, rebote hacia ti otra vez.
Pero si pudieras radiar a una frecuencia que no fueran en este tipo de infrarrojos, utilizando
otro que no “activara” a las moléculas del entorno, la radiación sí podría escapar.
Esto es justo lo que la gente de Stanford hizo: fabricando a medida un material de distintas
capas consiguieron cambiar su emisividad a la ventana en la que el aire no absorbe, utilizándolo
como un sistema de enfriamiento gratuito. Es la reflectividad más esta refrigeración
pasiva lo que consigue que este sistema se enfríe al sol.
Sin embargo, esto no es ninguna novedad en nuestro planeta. Las hormigas plateadas del
Sahara llevan utilizando una técnica parecida en su piel durante cientos de miles de años:
unos pelitos triangulares les ayudan tanto a reflejar mucho la luz del sol como a potenciar
la emisión en esta ventana para enfriarse. Por contradictorio que parezca, unos pelos
que mantienen a las hormigas unos 5 grados por debajo de lo que deberían.
Y, como intuiréis, ya se está tramando poner estas dos técnicas en práctica, por ejemplo
en placas solares. Un gran problema que hay es que las células solares, encargadas de
convertir luz en electricidad, es que son solo sensibles a unas frecuencias concretas
(¡al igual que les pasaba a las moléculas del aire! Es lo que tiene la cuántica). Así
que cuando el sol impacta en la placa solo una porción de toda esa luz se está aprovechando.
Pero si se pudiera crear un sistema de dos materiales que, primero, absorbiera toda la
luz solar y después emitiera la energía recibida en la frecuencia a la que la célula
es sensible, podría incrementar bastante su eficiencia. Con estas nuevas técnicas,
acercando muchísimos los materiales para que las ondas evanescentes transfieran mucha
energía y creando materiales a medida para favorecer las frecuencias que nos interesan,
esto ya es una realidad. Se han conseguido prototipos que aumentan unas 40 veces la potencia
de las tradicionales, aunque producirlas industrialmente todavía es un problema sin resolver.
Aun así me parece brutal. Me parece brutal que de una pregunta tan sesuda como “¿se
podría romper la ley de Planck?” surja una tecnología que podría ser decisiva para
luchar contra el cambio climático. Es una de las recompensas de apoyar la ciencia que
es más teórica. Nunca sabes por dónde te va salir. En este sentido, investigadores
como los del IFIMAC estudian las aplicaciones que da la ahora flexible ley de Planck, con
cosas como textiles opacos a la luz visible pero transparente al infrarrojo, lo que daría
lugar a prendas muy frescas, o a controlar con suma finura estos intercambios de calor
para crear circuitos, puertas lógicas y hasta memorias usando solo el flujo del calor.
Quién sabe a dónde llevarán todas estas ideas locas, pero os aseguro que las veréis
aquí en Quantumfracture. Y ya sabes si quieres más ciencia solo tienes
que suscribirte. Y gracias por vernos.
