Varme udstråler 10, 000 gange hurtigere på nanoskalaen

Når varme bevæger sig mellem to genstande, der ikke rører hinanden, det flyder anderledes på de mindste skalaer - afstande i størrelsesordenen af ​​diameteren af ​​DNA, eller 1/50, 000 af et menneskehår.

Mens forskere har været klar over dette i årtier, de har ikke forstået processen. Varmeflow skal ofte forhindres eller udnyttes, og manglen på en nøjagtig måde at forudsige det på repræsenterer en flaskehals i udviklingen af ​​nanoteknologi.

Nu, i et unikt laboratorium med ultralav vibration ved University of Michigan, ingeniører har målt, hvordan varme udstråler fra en overflade til en anden i et vakuum i afstande ned til 2 nanometer.

Mens den termiske energi stadig strømmer fra det varmere sted til det koldere, forskerne fandt ud af, at det gør det 10, 000 gange hurtigere end det ville på skalaen af, sige, et bål og et par kølige hænder. "Hurtigere" refererer her til den hastighed, hvormed temperaturen af ​​en prøve ændrer temperaturen på den anden - og ikke den hastighed, hvormed varmen selv bevæger sig. Varme er en form for elektromagnetisk stråling, så den bevæger sig med lysets hastighed. Det, der er anderledes på nanoskalaen, er effektiviteten af ​​processen.

"Vi har vist, for første gang, de dramatiske forbedringer af strålingsvarmestrømme i det ekstreme nærfelt, " sagde Pramod Reddy, lektor i maskinteknik og materialevidenskab og teknik. "Vores eksperimenter og beregninger antyder, at varme flyder adskillige størrelsesordener hurtigere i disse ultra små huller."

Reddy og Edgar Meyhofer, en professor i maskinteknik og biomedicinsk teknik, ledet arbejdet. En artikel om resultaterne er netop offentliggjort online i Natur .

Resultaterne har anvendelse på tværs af nanoteknologi. De kunne fremme næste generations informationslagring såsom varmeassisteret magnetisk optagelse. De kunne skubbe enheder frem, der mere direkte omdanner varme til elektricitet, herunder varme genereret i biler og rumfartøjer, der nu går til spilde. Det er blot nogle få potentielle anvendelser.

Fænomenet, som forskerne undersøgte, er "strålingsvarme" - den elektromagnetiske stråling, eller lys, at alt stof over det absolutte nulpunkt udsender. Det er emissionen af ​​stoffets indre energi fra bevægelse af partikler i stoffet - bevægelse, der kun sker over det absolutte nulpunkt.

Forskere kan forklare, hvordan dette sker på makroskopiske afstande, dimensioner, vi let kan opfatte i verden omkring os, ned til nogle vi ikke kan se. For mere end 100 år siden, den tyske fysiker Max Planck skrev de ligninger, der gør dette muligt. Hans model beskriver nøjagtigt varmeoverførsel over store til relativt små hulrum, når til 10 mikrometer ved stuetemperatur. Men når kløften bliver så lille, er den der næsten ikke, ligningerne går i stykker.

I midten af ​​forrige århundrede, den russiske radiofysiker Sergei Rytov foreslog en ny teori kaldet "fluktuationel elektrodynamik" for at beskrive varmeoverførsel ved mindre end 10 mikrometer afstande. Siden da, forskning har ikke altid resulteret i støttende beviser.

"Der var eksperimenter i 1990'erne eller begyndelsen af ​​2000'erne, som forsøgte at teste disse ideer yderligere, og de fandt store uoverensstemmelser mellem, hvad teori ville forudsige, og hvad eksperimenter afslørede, " sagde Meyhofer.

På grund af det sofistikerede i UM-laboratoriet, forskerne siger, at deres resultater lukker sagen, og Rytov havde ret.

"Vores arbejde, opført i samarbejde med kollegerne professor Juan Carlos Cuevas og professor Francisco García-Vidal ved Universidad Autónoma de Madrid, løser en vigtig kontrovers og repræsenterer et centralt bidrag til området for varmeoverførsel, " sagde Reddy. "Disse resultater modbeviser nuværende dogmer i nanoskala varmeoverførsel, som hævder, at strålingsvarmeoverførsel i enkeltcifrede nanometer-store huller ikke kan forklares af eksisterende teori."

Faciliteten forskerne brugte er et ultralavt vibrationskammer i G. G. Brown Laboratories, universitetets nyrenoverede maskintekniske kompleks. Kammeret - et af flere - var specialdesignet til at udføre eksperimenter i nanoskala så præcise, at blot fodtrin kunne forstyrre dem, hvis de blev udført et andet sted. Lokalerne kan modstå vibrationer udefra, såsom trafik, og indeni, såsom varme- og kølesystemer. De begrænser også akustisk støj, temperatur- og luftfugtighedsvariationer, samt radiofrekvens og magnetisk interferens.

"Vores anlæg repræsenterer den sande state of the art, " sagde Meyhofer. "Når du opretter huller i nanoskala som dem, der kræves til vores varmestrålingseksperimenter i nanoskala, den mindste forstyrrelse kan ødelægge et eksperiment."

I kammeret, forskerne brugte specialbyggede "scanning termiske mikroskopi-prober", der gjorde det muligt for dem direkte at studere, hvor hurtigt varme flyder mellem to overflader af silica, siliciumnitrid og guld. The researchers chose these materials because they're commonly used in nanotechnology.

For each material, they designated one sample that would be heated to 305 Fahrenheit, and they coated the tip of the probe with the same material, but kept it at a cooler 98 degrees. They slowly moved the sample and the probe together, beginning at 50 nanometers until they were touching, and they measured the temperature of the tip at regular intervals.

The cause of the rapid heat transfer, the researchers discovered, is that in nanoscale gaps there can be an overlap of the two sides' surface and evanescent waves, both of which carry heat.

"These waves reach only a small distance into the gap between materials, " said Bai Song, a graduate student in mechanical engineering and one of the lead authors. "And their intensity at the extreme near-field is enormous compared to the electromagnetic waves at larger distances. When these waves from two different devices overlap, that's when they allow tremendous heat flux."