La chaleur, cette chose que vous rencontrez tous les jours – votre café refroidit, votre portable chauffe, et le soleil transforme la Terre en une immense pizza. Mais zoomez à des distances plus petites qu'un cheveu humain, et la chaleur commence à agir comme si elle avait loupé le mémo de la physique.

Des chercheurs de l'Université Carnegie Mellon, de Stanford et de Purdue viennent de démontrer une nouvelle méthode puissante pour contrôler la chaleur à l'échelle nanométrique, publiée dans Nature. Ils ont fourni des preuves expérimentales solides que le transfert de chaleur peut être intentionnellement conçu et considérablement amélioré à l'aide de métamatériaux spécialement conçus.

La clé est un phénomène appelé transfert de chaleur radiative en champ proche. Lorsque deux objets sont séparés de seulement quelques centaines de nanomètres, la chaleur peut traverser l'espace par des ondes électromagnétiques – bien plus efficacement que si vous la laissiez rayonner comme un bon citoyen thermique.

Les scientifiques le savent depuis des années, mais prouver qu'on peut l'augmenter considérablement a été un défi. Entrez les métamatériaux : des matériaux conçus avec des structures répétitives microscopiques qui interagissent avec l'énergie de manière hautement contrôlée.

« Nous avons modelé des structures d'or microscopiques sur des membranes minces et les avons positionnées face à face à travers un espace nanométrique », a déclaré Sheng Shen, professeur de génie mécanique à Carnegie Mellon et auteur principal. « Cela a augmenté le transfert de chaleur jusqu'à quatre fois par rapport à des configurations similaires sans métamatériaux – bien au-delà de ce que la physique traditionnelle prédirait à des distances plus grandes. »

Il ne s'agit pas seulement d'ajouter plus de voies de chaleur. Les structures d'or interagissent avec les ondes d'énergie naturelles dans le matériau, appelées phonons-polaritons de surface, créant un effet de résonance. « Ces vibrations couplées permettent à l'énergie de se déplacer plus librement et plus efficacement à travers l'espace », a déclaré Zexiao Wang, doctorant et co-premier auteur.

« C'est un effet coopératif », a ajouté Shen. « Les structures et le matériau s'amplifient mutuellement. »

Les applications potentielles incluent un meilleur refroidissement pour les puces informatiques toujours plus petites et plus chaudes, des systèmes thermophotovoltaïques améliorés qui transforment la chaleur en électricité, et une détection infrarouge plus précise pour tout, de la surveillance environnementale à la sécurité nationale.

Pour l'instant, tout cela fonctionne dans des conditions de laboratoire soigneusement contrôlées à l'échelle nanométrique, mais cela marque un pas de la théorie vers une démonstration réelle. « Si la chaleur peut être conçue avec la même précision que l'électricité ou la lumière, cela pourrait ouvrir la porte à une nouvelle classe de technologies conçues non seulement pour résister à la chaleur, mais pour l'exploiter », a déclaré Shen.

Les travaux ont été soutenus par la Defense Threat Reduction Agency, la National Science Foundation et l'Air Force Office of Scientific Research. Les auteurs correspondants sont Sheng Shen et Shanhui Fan. Zexiao Wang, Renwen Yu et Hakan Salihoglu ont contribué de manière égale.