Varme og lys bliver større på nanoskalaen

I en ny undersøgelse offentliggjort for nylig i Natur nanoteknologi , forskere fra Columbia Engineering, Cornell, og Stanford har vist, at varmeoverførsel kan gøres 100 gange stærkere end forudsagt, simpelthen ved at bringe to objekter ekstremt tæt på – i nanoskala afstande – uden at røre. Anført af Columbia Engineerings Michal Lipson og Stanford Engineerings Shanhui Fan, holdet brugte specialfremstillede mikromekaniske forskydningscontrollere med ultrahøj præcision til at opnå varmeoverførsel ved hjælp af lys i den hidtil største styrke, der er rapporteret mellem to parallelle objekter.

"Ved afstande så små som 40 nanometer, vi opnåede næsten en 100-fold forbedring af varmeoverførsel sammenlignet med klassiske forudsigelser, " siger Lipson, Eugene Higgins professor i elektroteknik og professor i anvendt fysik. "Dette er meget spændende, da det betyder, at lys nu kan blive en dominerende varmeoverførselskanal mellem objekter, der normalt udveksler varme mest gennem ledning eller konvektion. Og, mens andre hold har demonstreret varmeoverførsel ved hjælp af lys på nanoskala før, vi er de første til at nå ydelser, der kunne bruges til energianvendelser, såsom direkte omdannelse af varme til elektricitet ved hjælp af fotovoltaiske celler."

Alle genstande i vores miljø udveksler varme med deres omgivelser ved hjælp af lys. Dette inkluderer lyset, der kommer til os fra solen, den lysende røde farve på varmeelementet inde i vores brødristerovne, eller "night vision"-kameraerne, der muliggør billedoptagelse selv i fuldstændig mørke. Men varmeveksling ved hjælp af lys er normalt meget svag sammenlignet med, hvad der kan opnås ved ledning (dvs. ved blot at bringe to genstande i kontakt med hinanden) eller ved konvektion (dvs. ved hjælp af varm luft). Strålingsvarmeoverførsel ved afstande på nanoskala, mens man teoretiserer, har været særligt udfordrende at opnå på grund af vanskeligheden ved at opretholde store termiske gradienter over afstande i nanometerskala, mens andre varmeoverførselsmekanismer som ledning undgås.

Lipsons team var i stand til at bringe objekter ved forskellige temperaturer meget tæt på hinanden - ved afstande mindre end 100 nanometer, eller 1/1000 af diameteren af ​​et hårstrå. De var i stand til at demonstrere nærfelts strålingsvarmeoverførsel mellem parallelle SiC (siliciumcarbid) nanostråler i det dybe sub-bølgelængderegime. De brugte et højpræcisions mikro-elektromekanisk system (MEMS) til at kontrollere afstanden mellem bjælkerne og udnyttede den mekaniske stabilitet af nanostråler under høj trækspænding for at minimere termiske knækeffekter, dermed holde kontrol over nanometer-skala adskillelse selv ved store termiske gradienter.

Ved at bruge denne tilgang, holdet var i stand til at bringe to parallelle objekter ved forskellige temperaturer til afstande så små som 42 nm uden at røre. I dette tilfælde observerede de, at varmeoverførslen mellem objekterne var tæt på 100 gange stærkere end hvad der forudsiges af konventionelle termiske strålingslove (dvs. "sortlegemestråling"). De var i stand til at gentage dette eksperiment for temperaturforskelle så høje som 260oC (500oF) mellem de to objekter. En sådan høj temperaturforskel er især vigtig for energikonverteringsapplikationer, da i disse tilfælde, konverteringseffektiviteten er altid proportional med den termiske forskel mellem de varme og de kolde genstande, der er involveret.

"En vigtig implikation af vores arbejde er, at termisk stråling nu kan bruges som en dominerende varmeoverførselsmekanisme mellem objekter ved forskellige temperaturer, " forklarer Raphael St-Gelais, undersøgelsens hovedforfatter og postdoc-stipendiat, der arbejder med Lipson ved Columbia Engineering. "Det betyder, at vi kan styre varmestrømmen med mange af de samme teknikker, som vi har til at manipulere lys. Dette er en stor sag, da der er mange interessante ting, vi kan gøre med lys, såsom at konvertere det til elektricitet ved hjælp af fotovoltaiske celler."

St-Gelais og Linxiao Zhu, som var medforfatter til undersøgelsen og er ph.d.-kandidat i Fans gruppe i Stanford, Bemærk, at holdets tilgang kan skaleres op til et større effektivt område ved blot at opstille flere nanostråler – oven på en solcelle, for eksempel – og ved individuelt at kontrollere deres forskydning ud af planet ved hjælp af MEMS-aktuatorer. Forskerne ser nu på at anvende deres samme tilgang til ultra-høj præcision forskydningskontrol, denne gang med en egentlig solcelle til at generere elektricitet direkte fra varme.

"Denne meget stærke, ikke-kontakt, varmeoverførselskanal kan bruges til at kontrollere temperaturen på sarte nano-enheder, der ikke kan røres, eller for meget effektivt at omdanne varme til elektricitet ved at udstråle store mængder varme fra en varm genstand til en solcelle i dens ekstreme nærhed, " Lipson tilføjer. "Og hvis vi kan skinne en stor mængde varme i form af lys fra en varm genstand til en fotovoltaisk celle, vi kunne potentielt skabe kompakte moduler til direkte omdannelse af varme til el. Disse moduler kan bruges inde i biler, for eksempel, at omdanne spildvarme fra forbrændingsmotoren tilbage til nyttig elektrisk kraft. Vi kunne også bruge dem i vores hjem til at generere elektricitet fra alternative energikilder såsom biobrændstoffer og lagret solenergi."