الحرارة هي ذلك الشيء الذي تواجهه كل يوم - قهوتك تبرد، حاسوبك المحمول يسخن، والشمس تحول الأرض إلى بيتزا عملاقة. لكن عندما تقترب إلى مسافات أصغر من شعرة الإنسان، تبدأ الحرارة في التصرف وكأنها فاتتها مذكرة الفيزياء.
الباحثون من جامعة كارنيجي ميلون، جامعة ستانفورد، وجامعة بوردو أظهروا الآن طريقة جديدة قوية للتحكم في الحرارة على مقياس النانو، نُشرت في Nature. قدموا أدلة تجريبية قوية على أن نقل الحرارة يمكن هندسته عمداً وتعزيزه بشكل كبير باستخدام مواد مهندسة خصيصاً تسمى المواد الفائقة.
المفتاح هو ظاهرة تسمى نقل الحرارة الإشعاعي في المجال القريب. عندما يفصل بين جسمين بضع مئات من النانومترات فقط، يمكن للحرارة أن تنفق عبر الفجوة بواسطة موجات كهرومغناطيسية - بكفاءة أكبر بكثير مما لو تركتها تشع مثل مواطن حراري جيد.
العلماء يعرفون هذا منذ سنوات، لكن إثبات أنه يمكنك رفعها بشكل كبير كان تحدياً. هنا تأتي المواد الفائقة: مواد مهندسة بهياكل متكررة مجهرية تتفاعل مع الطاقة بطرق محكومة للغاية.
"قمنا بنمذجة هياكل ذهبية مجهرية على أغشية رقيقة ووضعناها وجهاً لوجه عبر فجوة نانوية،" قال شينغ شين، أستاذ الهندسة الميكانيكية في كارنيجي ميلون والمؤلف الرئيسي. "هذا زاد نقل الحرارة بمقدار أربع مرات مقارنة بإعدادات مماثلة بدون مواد فائقة - أبعد بكثير مما تتنبأ به الفيزياء التقليدية على مسافات أكبر."
الأمر لا يتعلق فقط بإضافة مسارات حرارية أكثر. الهياكل الذهبية تتفاعل مع موجات الطاقة الطبيعية في المادة، تسمى فونونات-بولاريتونات السطحية، مما يخلق تأثير رنين. "هذه الاهتزازات المقترنة تسمح للطاقة بالتحرك بحرية وكفاءة أكبر عبر الفجوة،" قال زيكسياو وانغ، طالب دكتوراه ومؤلف أول مشارك.
"إنه تأثير تعاوني،" أضاف شين. "الهياكل والمادة يضخمان بعضهما البعض."
التطبيقات المحتملة تشمل تبريد أفضل لرقائق الكمبيوتر المتقلصة باستمرار والأكثر حرارة، تحسين أنظمة التحويل الحراري الضوئي التي تحول الحرارة إلى كهرباء، واستشعار الأشعة تحت الحمراء الأكثر حدة لكل شيء من المراقبة البيئية إلى الأمن القومي.
في الوقت الحالي، كل هذا يعمل تحت ظروف مختبرية مضبوطة بعناية على مقياس النانو، لكنه يمثل خطوة من النظرية إلى العرض العملي. "إذا كان يمكن هندسة الحرارة بنفس دقة الكهرباء أو الضوء، فقد يفتح الباب لفئة جديدة من التقنيات المبنية ليس فقط لتحمل الحرارة، بل لتسخيرها،" قال شين.
العمل دعمته وكالة الحد من التهديدات الدفاعية، مؤسسة العلوم الوطنية، ومكتب أبحاث القوات الجوية. المؤلفون المراسلون هم شينغ شين وشانهوي فان. زيكسياو وانغ، رينوين يو، وهاكان سالي أوغلو ساهموا بالتساوي.