Nye fremskridt inden for nanofotonik forklarer, hvordan samlinger af varme nanopartikler afkøles

Alle har siddet udenfor på en solskinsdag og blevet varmet af solens stråler. Dette sker gennem en proces kendt som strålingsvarmeoverførsel:Solen udsender lys (elektromagnetisk stråling), som rejser til Jorden og opvarmer de genstande, der absorberer den. Strålingsvarmeoverførsel er også mekanismen bag termiske kameraer.

Hver varm genstand, inklusive mennesker, udsender lys, giver det mulighed for at frigive varme og termalisere til miljøet. Bølgelængderne, eller lysfarver, der udsendes, afhænger af objektets temperatur, med solen, der er varm nok til at producere synligt lys, og menneskekroppe udsender lys, der ikke er synligt for øjet, men som kan opfanges af infrarøde sensorer.

For makroskopiske objekter, strålingsvarmeoverførsel er nøjagtigt beskrevet af den velkendte Plancks lov om sortlegemestråling, almindeligvis ses i bachelor fysik klasser. Når størrelsen af ​​et objekt nærmer sig nanoskalaen, imidlertid, Plancks lov gælder ikke længere. I denne skala, hundreder til tusinder af gange mindre end tykkelsen af ​​et menneskehår, den strålingsudveksling af varme kan være mange gange mere effektiv end på makroskalaen.

Styring af strålingsvarmeoverførsel i nanoskala kan muliggøre udviklingen af ​​en bred vifte af applikationer. Et eksempel er termofotovoltaik, en teknologi, der søger at omdanne spildvarme produceret, for eksempel, af motorer og fabrikker til brugbar elektricitet. En anden applikation involverer nedkøling af de elektroniske komponenter i mikrochips, hvis størrelser allerede har nået nanoskalaen. Forbedrede termiske styringsteknikker for disse enheder kan hjælpe med at forhindre computere i at overophede og lette udviklingen af ​​chips med flere transistorer.

Inspireret af dette store løfte, forskere fra University of New Mexico, Los Alamos National Laboratory (LANL), og Institut for Optik i Spanien har offentliggjort en undersøgelse, der giver ny indsigt i, hvordan samlinger af nanopartikler udveksler varme med hinanden og deres miljø. Deres arbejde, med titlen "Near-Field Radiative Heat Transfer Eigenmodes" blev offentliggjort i tidsskriftet Fysiske anmeldelsesbreve for nylig.

Forud for dette arbejde, forskere vidste, hvordan man beregner termaliseringsdynamikken i arrangementer af nanopartikler, men beregningerne kræver betydelige beregningsressourcer, der bliver uoverkommelige selv for systemer med et dusin partikler. I dette studie, ledet af Alejandro Manjavacas i samarbejde med Diego Dalvit og Wilton Kort-Kamp fra LANL, forskerne har udviklet en teoretisk ramme, der muliggør en effektiv og enkel beskrivelse af termaliseringsdynamikken i systemer med endda tusindvis af nanopartikler.

"Vores metode giver en elegant og effektiv tilgang til at løse problemer, der har eksisteret i nogen tid, " sagde Manjavacas.

Forskernes teoretiske ramme nedbryder den strålingsvarmeoverførselsdynamik ved hjælp af simple matematiske teknikker, som man ville støde på i en bachelor-lineær algebra-klasse. Derved, de var ikke kun i stand til at studere termaliseringen af ​​store og komplicerede systemer, men også afdække fysisk indsigt, der præsenterer sig på uventede måder.

For eksempel, holdet fandt ud af, at når et arrangement af nanopartikler har en vis mængde varme oprindeligt lagret i sig, systemet vil nærme sig temperaturen i omgivelserne på samme måde, uanset hvilke partikler der er varme. I modsætning, hvis den samlede varme oprindeligt i et system er nul, som når en nanopartikel er varmere end miljøet, og en anden er koldere, systemet når termisk ligevægt hurtigere end nogen temperaturfordeling med en vis indledende varme. Dette gælder, selvom sidstnævnte tilfælde kræver en meget mindre temperaturændring end førstnævnte.

En anden interessant adfærd, som forfatterne beskrev, involverer en oscillerende udvikling af temperaturen på en nanopartikel, når den termaliseres til miljøet:i løbet af termaliseringen, nanopartiklerne køler ned og opvarmes flere gange, selvom omgivelserne altid forbliver ved samme temperatur.

"Jeg fandt dette projekt meget spændende, fordi det involverer anvendelsen af ​​grundlæggende, men elegante matematiske begreber på et avanceret fysikproblem, " sagde hovedforfatter af avisen, Stephen Sanders, som snart dimitterer fra UNM med sin ph.d. i fysik med planer om at flytte til Rice University som Rice Academy Fellow.

En anden kandidatstuderende involveret i papiret, Lauren Zundel, som er kandidatstipendiat ved Institut for Energiberegningsvidenskab, siger, "Det var fantastisk at anvende det, jeg har lært om beregningsvidenskab til at løse et problem som dette."