Desorden atómico y transporte de energía térmica en sólidos: un parámetro para gobernarlos a todos

En un sólido la energía térmica se transporta principalmente mediante las vibraciones colectivas de sus átomos. Estas vibraciones se describen mediante los llamados fonones, un concepto que representa modos de vibración que pueden transportar energía de unas regiones del material a otras. En materiales con estructura muy ordenada, como un cristal casi perfecto, esas vibraciones se propagan de manera regular y permiten un transporte eficiente de energía térmica. En cambio, en materiales con desorden estructural, como los vidrios o ciertos sólidos defectuosos, este transporte resulta mucho menos eficaz.

Una nueva investigación aborda precisamente cómo el desorden en la estructura atómica afecta al transporte de energía térmica. Sus autores muestran que este fenómeno puede entenderse a partir de una magnitud estructural bien definida, a la que llaman entropía de la red de enlaces. Esta magnitud no se refiere al calor ni a la temperatura, sino a la diversidad de maneras en que los átomos están conectados entre sí dentro del material.

En un sólido basado en una red de enlaces los átomos están unidos por enlaces fuertes formando una red tridimensional continua, como ocurre en el diamante o en muchas formas de carbono. En un cristal ideal, cada átomo tiene siempre el mismo número de vecinos y la geometría de los enlaces es idéntica (o, si nos ponemos puristas, casi idéntica) en todo el sólido. Sin embargo, en un sólido desordenado esa regularidad se rompe: algunos átomos tienen más o menos vecinos, los ángulos entre enlaces varían y aparecen distorsiones locales. El conjunto de estas variaciones define el grado de desorden estructural.

La entropía de la red de enlaces es una forma de cuantificar ese desorden. Cuanto mayor es esta entropía, mayor es el número de configuraciones distintas que puede adoptar la red de enlaces a escala local. Esto es, un valor bajo indica que casi todos los átomos se conectan de la misma manera, mientras que un valor alto indica una gran diversidad de entornos atómicos.

La relación con el transporte de energía térmica aparece al analizar cómo se comportan las vibraciones atómicas en una red más o menos regular. En una estructura muy ordenada, los fonones se propagan de forma coherente a lo largo del material y pueden transportar energía térmica a grandes distancias antes de dispersarse. Cuando la red es muy irregular, estas vibraciones se dispersan con frecuencia y pueden quedar parcialmente confinadas en regiones locales. Como consecuencia, la transferencia de energía térmica se vuelve menos eficiente y la conductividad térmica disminuye.

Los autores demuestran que la entropía de la red de enlaces actúa como un indicador global de ese efecto. A medida que aumenta dicha entropía, la distribución de frecuencias de las vibraciones atómicas se vuelve más suave y menos estructurada. Este cambio refleja una mayor dispersión de los fonones y, por tanto, una mayor dificultad para transportar energía térmica a través del sólido. De este modo, una propiedad geométrica de la estructura atómica se conecta directamente con una propiedad macroscópica medible, la conductividad térmica.

Un aspecto destacable del estudio es que este enfoque no se limita a un material concreto. Los autores lo aplican a distintas formas de carbono desordenado, como materiales porosos usados en electrodos o grafitos con defectos empleados en reactores nucleares. En todos los casos, encuentran que las diferencias en la capacidad de transportar energía térmica pueden explicarse en términos de la entropía de la red de enlaces, sin necesidad de introducir parámetros empíricos específicos para cada material.

Este resultado contribuye a resolver un problema clásico de la física de la materia condensada: cómo relacionar de forma cuantitativa la estructura atómica desordenada con el transporte de energía térmica. Al introducir la entropía de la red de enlaces como descriptor fundamental, el trabajo proporciona una herramienta para comprender y predecir variaciones muy grandes de conductividad térmica debidas al desorden estructural. Además de su interés teórico, este conocimiento es relevante para el diseño de materiales con propiedades térmicas ajustadas, como buenos aislantes o materiales capaces de evacuar eficazmente la energía térmica en dispositivos electrónicos.

Referencia:

Kamil Iwanowski, Gábor Csányi, and Michele Simoncelli (2025) Bond-Network Entropy Governs Heat Transport in Coordination-Disordered Solids Phys. Rev. X doi: 10.1103/w4p6-b9mp

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance