Η ζέστη είναι κάτι που συναντάμε καθημερινά. Ένα φλιτζάνι καφέ στον ατμό ψύχεται αργά, ένας φορητός υπολογιστής θερμαίνεται ενώ χρησιμοποιείται και το ηλιακό φως θερμαίνει την επιφάνεια της Γης. Ωστόσο, όταν η θερμότητα δοκιμάζεται σε αποστάσεις πολύ μικρότερες από το πλάτος μιας ανθρώπινης τρίχας, μπορεί να συμπεριφέρεται με απροσδόκητους τρόπους.
Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Carnegie Mellon, σε συνεργασία με συνεργάτες στο Πανεπιστήμιο Stanford και στο Πανεπιστήμιο Purdue, έχουν τώρα επιδείξει μια ισχυρή νέα μέθοδο για τον έλεγχο της θερμότητας σε νανοκλίμακα. Τα ευρήματά τους, δημοσιεύθηκαν η φύσηΠαρέχει ισχυρές πειραματικές ενδείξεις ότι η μεταφορά θερμότητας μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά χρησιμοποιώντας σκόπιμα κατασκευασμένα και ειδικά σχεδιασμένα μεταϋλικά.
Πώς η θερμότητα κινείται στα μικροσκοπικά κενά
Η έρευνα επικεντρώνεται σε ένα φαινόμενο γνωστό ως μεταφορά θερμότητας ακτινοβολίας κοντά στο πεδίο. Όταν δύο αντικείμενα χωρίζονται από μια εξαιρετικά μικρή απόσταση, μόνο μερικές εκατοντάδες νανόμετρα, η θερμότητα μπορεί να ταξιδέψει μεταξύ τους πολύ πιο αποτελεσματικά από ό,τι υπό κανονικές συνθήκες.
Αντί να ακτινοβολεί απλώς προς τα έξω, η θερμική ενέργεια μπορεί να διοχετεύεται αποτελεσματικά σε στενά κενά μέσω ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Αυτή η διαδικασία επιτρέπει τη ροή πολύ περισσότερης θερμότητας από το ένα αντικείμενο στο άλλο από ό,τι θα αναμενόταν κανονικά.
Οι επιστήμονες έχουν κατανοήσει αυτό το αποτέλεσμα εδώ και χρόνια, αλλά η επίδειξη του τρόπου δραματικής ενίσχυσης του πειραματικά παραμένει μια πρόκληση.
Τα μεταϋλικά ενισχύουν τη μεταφορά θερμότητας
Για να το πετύχουν αυτό, οι ερευνητές στράφηκαν σε μεταϋλικά, κατασκευασμένα υλικά που περιέχουν μικροσκοπικές επαναλαμβανόμενες δομές σχεδιασμένες να αλληλεπιδρούν με την ενέργεια με εξαιρετικά ελεγχόμενους τρόπους.
«Σε αντίθεση με τα συμβατικά υλικά, τα μεταϋλικά κατασκευάζονται με μικροσκοπικά, επαναλαμβανόμενα μοτίβα που αλληλεπιδρούν με την ενέργεια με ακριβείς τρόπους», δήλωσε ο Shane Shen, καθηγητής μηχανολογίας στο Πανεπιστήμιο Carnegie Mellon και ανώτερος συγγραφέας της μελέτης. “Δημιουργήσαμε μικροσκοπικές δομές χρυσού σε λεπτές μεμβράνες και τις τοποθετήσαμε πρόσωπο με πρόσωπο σε ένα κενό νανοκλίμακας. Αυτό αύξησε τη μεταφορά θερμότητας τέσσερις φορές περισσότερο από μια παρόμοια διάταξη χωρίς μεταϋλικά, πολύ πέρα από αυτό που η συμβατική φυσική θα προβλέψει σε μεγαλύτερες αποστάσεις.”
Οι δοκιμές της ομάδας έδειξαν ότι οι δομές με μοτίβο χρυσού αύξησαν σημαντικά την ποσότητα της θερμότητας που κινείται κατά μήκος του κενού, επιτυγχάνοντας ρυθμούς μεταφοράς θερμότητας τέσσερις φορές υψηλότερους από συγκρίσιμα συστήματα που δεν διαθέτουν τα κατασκευασμένα σχέδια.
Η επιστήμη πίσω από το αποτέλεσμα
Η αύξηση δεν είναι μόνο αποτέλεσμα της προσθήκης περισσότερων διαδρομών για θερμικά ταξίδια.
«Αντί να προσθέτουν περισσότερα μονοπάτια για τη θερμότητα, οι δομές του χρυσού αλληλεπιδρούν με φυσικά κύματα ενέργειας στο υλικό, γνωστά ως επιφανειακά φωνονικά πολάρια, δημιουργώντας ένα φαινόμενο συντονισμού», δήλωσε ο Zexiao Wang, διδάκτορας στην ερευνητική ομάδα του καθηγητή Shen και συν-πρώτος συγγραφέας της μελέτης. «Αυτές οι συνδεδεμένες δονήσεις επιτρέπουν στην ενέργεια να κινείται πιο ελεύθερα και αποτελεσματικά στο διάκενο».
Σύμφωνα με τους ερευνητές, το φαινόμενο εμφανίζεται επειδή η μικροσκοπική δομή και τα φυσικά ενεργειακά κύματα του υλικού συνεργάζονται.
«Είναι ένα συνεργιστικό αποτέλεσμα», είπε ο Shane. “Η δομή και το υλικό επεκτείνονται το ένα το άλλο.”
Δυνητικές εφαρμογές στην ηλεκτρονική και την ενέργεια
Η ανακάλυψη μπορεί να έχει σημαντικές πρακτικές χρήσεις. Καθώς οι ηλεκτρονικές συσκευές γίνονται μικρότερες και πιο ισχυρές, η αφαίρεση της περίσσειας θερμότητας έχει γίνει μια από τις πιο σημαντικές προκλήσεις της μηχανικής.
Η δυνατότητα να κατευθύνετε και να ελέγξετε τη θερμότητα πιο αποτελεσματικά θα μπορούσε να οδηγήσει σε βελτιωμένες μεθόδους ψύξης για τσιπ υπολογιστών και άλλα ηλεκτρονικά συστήματα υψηλής απόδοσης.
Τα αποτελέσματα μπορεί επίσης να ωφελήσουν τις ενεργειακές τεχνολογίες. Συστήματα γνωστά ως θερμοφωτοβολταϊκά μετατρέπουν την ακτινοβολία θερμότητας σε χρησιμοποιήσιμη ενέργεια παράγοντας ηλεκτρική ενέργεια από θερμότητα. Η αύξηση της αποτελεσματικότητας της μεταφοράς θερμικής ακτινοβολίας μπορεί να βοηθήσει να γίνουν αυτές οι τεχνολογίες πιο αποτελεσματικές.
Επίσης, οι εφαρμογές που περιλαμβάνουν ανίχνευση υπερύθρων μπορούν να επωφεληθούν από ισχυρότερα και με μεγαλύτερη ακρίβεια ελεγχόμενα θερμικά σήματα. Οι πιθανές χρήσεις κυμαίνονται από την περιβαλλοντική παρακολούθηση έως την εθνική ασφάλεια.
Ένα βήμα προς τις επιτυχίες της μηχανικής
Αν και τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν υπό προσεκτικά ελεγχόμενες εργαστηριακές συνθήκες και περιορίζονται σε συστήματα νανοκλίμακας, η εργασία αντιπροσωπεύει μια σημαντική πρόοδο από τις θεωρητικές προβλέψεις έως τις πραγματικές επιδείξεις.
«Εάν η θερμότητα μπορεί να κατασκευαστεί με την ίδια ακρίβεια όπως η ηλεκτρική ενέργεια ή το φως, θα μπορούσε να ανοίξει την πόρτα σε μια νέα κατηγορία τεχνολογίας που έχει κατασκευαστεί όχι μόνο για να αντέχει στη θερμότητα, αλλά και για να την αξιοποιεί», είπε ο Shen.
Αυτή η εργασία υποστηρίχθηκε από την Υπηρεσία Μείωσης Αμυντικών Απειλών, το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών και το Γραφείο Επιστημονικής Έρευνας της Πολεμικής Αεροπορίας. Οι Sheng Shen και Shanhui Fan είναι αντίστοιχοι συγγραφείς. Ο Zexiao Wang, ο Renwen Yu και ο Hakan Salihoglu συνέβαλαν εξίσου σε αυτό το έργο.