Cientistas comprovaram que o calor pode fluir como a água — isso abre novos horizontes no resfriamento de chips e muito mais.

Cientistas da EPFL (Escola Politécnica Federal de Lausanne) demonstraram teoricamente que, em cristais altamente ordenados e muito puros, o calor pode se comportar como um fluido. Em vez da dissipação de calor usual, do quente para o frio, os cristais puros exibem um fluxo direcionado com vórtices e até mesmo fluxo de calor reverso. É como envolver as mãos em uma xícara de chá quente e começar a sentir frio. Incrível? Não para a mecânica quântica.

Fonte da imagem: EPFL

Em princípio, os cientistas já haviam concluído há 60 anos que, dentro da estrutura da mecânica quântica, o calor pode se comportar como um fluido ou, mais precisamente, pode ser representado pela hidrodinâmica de fônons. Fônons são quasipartículas que transportam calor. São quanta de energia do movimento vibracional coordenado de átomos em um sólido, formando uma rede cristalina ideal.

De acordo com a segunda lei da termodinâmica, as vibrações se propagam de átomos mais quentes (de maior energia) para átomos mais frios. Os cientistas demonstraram que, sob certas condições, os fônons formam um fluxo direcionado com vórtices e até mesmo um fluxo de calor reverso. Isso significa que o calor pode se mover de regiões mais frias para regiões mais quentes, criando um gradiente de temperatura negativo e uma resistência térmica negativa. Esse comportamento é consistente com a segunda lei da termodinâmica, uma vez que a entropia total do sistema continua a aumentar.

O fenômeno é explicado pelo fato de que, em cristais puros, as colisões de fônons conservam o momento, permitindo que o calor flua coletivamente como um fluido incompressível. Os pesquisadores decompuseram a equação hidrodinâmica nos elementos-chave do comportamento do fluxo, mostrando que o fluxo reverso é maximizado precisamente no regime quase incompressível: o fluxo não “cede” à resistência, mas é redirecionado, formando vórtices. Um modelo teórico e simulações numéricas em uma faixa bidimensional de grafite cristalino confirmaram a possibilidade desse efeito e forneceram uma ferramenta analítica para sua descrição quantitativa e otimização.

Este trabalho forneceu a primeira explicação analítica completa da física envolvida.Fluxo de calor reverso. Anteriormente, tais efeitos eram observados apenas em cálculos numéricos, mas a nova formulação revela como estruturas de vórtices e compressibilidade mínima levam a um arrasto negativo. Isso abre caminho para o projeto direcionado de materiais e dispositivos onde o calor pode ser ativamente “bombeado” na direção desejada.

A importância prática desta descoberta é enorme: o gerenciamento térmico eficiente é crucial para a eletrônica moderna, onde o superaquecimento limita o desempenho de chips, baterias e componentes de data centers. O fluxo reverso hidrodinâmico pode ser usado para prevenir o superaquecimento localizado (por exemplo, removendo o calor da bateria de um smartphone), reduzir a perda de energia e melhorar a eficiência do sistema. O modelo é aplicável não apenas a fônons, mas também a outros portadores de carga (elétrons, excítons), tornando-se uma ferramenta versátil para futuras tecnologias de gerenciamento térmico em nanoeletrônica e energia.