Riassunto:
I ricercatori della Carnegie Mellon University, della Stanford University e della Purdue University hanno dimostrato un metodo per regolare il trasferimento di calore su scala nanometrica: creare microscopiche strutture d'oro su pellicole sottili in modo che due superfici siano una di fronte all'altra attraverso uno spazio molto stretto, migliorando così in modo significativo l'efficienza del trasferimento di calore attraverso lo spazio sotto forma di radiazione elettromagnetica.
Nell'esperimento, la capacità di trasferimento del calore del dispositivo metamateriale progettato strutturalmente era fino a circa quattro volte quella del dispositivo di controllo che non utilizzava la stessa struttura del modello. La ricerca, pubblicata su Nature, fornisce una verifica sperimentale per l'uso di strutture artificiali per regolare il trasferimento di calore della radiazione in campo vicino.
Nella scala quotidiana, gli oggetti scambiano calore principalmente attraverso la conduzione termica, la convezione e la normale radiazione termica; ma quando due superfici sono vicine a centinaia di nanometri, gli effetti di campo vicino diventano importanti. In questo momento, il campo elettromagnetico vicino alla superficie può trasferire energia all'altro lato attraverso l'accoppiamento del gap, facendo sì che il trasferimento di calore della radiazione termica superi il limite della radiazione del corpo nero in campo lontano. Il team ha testato spaziature superficiali di circa 250, 450 e 730 nanometri, ha costruito strutture che includevano risonatori ad anello diviso in oro su pellicole di nitruro di silicio e ha misurato i cambiamenti nel trasferimento di calore attraverso i nanogap.
Migliorare la sinergia di entrambe le strutture. La modalità di risonanza generata dal risonatore ad anello diviso in oro è fortemente accoppiata ai polaritoni fononici sulla superficie del nitruro di silicio; I polaritoni fononici sono onde superficiali formate dall'accoppiamento di onde elettromagnetiche e vibrazioni del reticolo materiale. Possono trasferire energia attraverso gli spazi vuoti nel campo vicino. Il gruppo di ricerca ha supportato questa spiegazione attraverso simulazioni elettromagnetiche e analisi teoriche in modalità accoppiata. In altre parole, la ricerca non è semplicemente quella di aumentare il canale di conduzione del calore, ma di far sì che le due risonanze si valorizzino a vicenda progettando attentamente la struttura superficiale del materiale.
I ricercatori ritengono che questo metodo possa fornire nuove idee di raffreddamento per chip e sistemi informatici ad alte prestazioni in futuro. Potrebbe anche migliorare l’efficienza dei sistemi termofotovoltaici che utilizzano la radiazione termica per generare elettricità e contribuire a migliorare le capacità di controllo del segnale dei sensori a infrarossi. Tuttavia, i risultati attuali sono stati ottenuti in condizioni di laboratorio su scala nanometrica, allineate e controllate con precisione, e non sono stati ancora dimostrati dispositivi di raffreddamento, dispositivi di generazione di energia o prodotti di rilevamento che possano essere utilizzati direttamente nei chip commerciali. Il gruppo di ricerca ha affermato che in futuro dovranno ancora essere risolti problemi ingegneristici come il modo in cui integrare questa struttura nei dispositivi reali, mantenere una spaziatura estremamente ridotta e ottenere una produzione su vasta scala.
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