गर्मी वह चीज़ है जिसका सामना आप रोज़ करते हैं - आपकी कॉफ़ी ठंडी होती है, आपका लैपटॉप गर्म होता है, और सूरज पृथ्वी को एक विशाल पिज़्ज़ा में बदल देता है। लेकिन मानव बाल से भी छोटी दूरियों पर ज़ूम करें, और गर्मी ऐसा व्यवहार करने लगती है जैसे उसने भौतिकी का मेमो मिस कर दिया हो।
कार्नेगी मेलन विश्वविद्यालय, स्टैनफोर्ड और पर्ड्यू के शोधकर्ताओं ने अब नैनोस्केल पर गर्मी को नियंत्रित करने की एक शक्तिशाली नई विधि का प्रदर्शन किया है, जो नेचर में प्रकाशित हुई है। उन्होंने मजबूत प्रायोगिक सबूत दिए हैं कि विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए मेटामटेरियल का उपयोग करके गर्मी हस्तांतरण को जानबूझकर इंजीनियर और काफी बढ़ाया जा सकता है।
कुंजी एक घटना है जिसे नियर-फील्ड रेडिएटिव हीट ट्रांसफर कहा जाता है। जब दो वस्तुएं केवल कुछ सौ नैनोमीटर से अलग होती हैं, तो गर्मी विद्युत चुम्बकीय तरंगों के माध्यम से अंतराल को पार कर सकती है - यह उससे कहीं अधिक कुशल है जितना कि अगर आप इसे एक अच्छे थर्मल नागरिक की तरह बाहर विकिरण करने देते।
वैज्ञानिकों को इसके बारे में वर्षों से पता है, लेकिन यह साबित करना कि आप इसे नाटकीय रूप से बढ़ा सकते हैं, एक चुनौती रही है। अब आते हैं मेटामटेरियल: इंजीनियर्ड सामग्री जिसमें सूक्ष्म दोहराव वाली संरचनाएं होती हैं जो अत्यधिक नियंत्रित तरीकों से ऊर्जा के साथ बातचीत करती हैं।
"हमने पतली झिल्लियों पर सूक्ष्म सोने की संरचनाएं पैटर्न कीं और उन्हें एक नैनोस्केल गैप के पार आमने-सामने रखा," कार्नेगी मेलन में मैकेनिकल इंजीनियरिंग के प्रोफेसर और वरिष्ठ लेखक शेंग शेन ने कहा। "इससे मेटामटेरियल के बिना समान सेटअप की तुलना में गर्मी हस्तांतरण चार गुना तक बढ़ गया - जो बड़ी दूरी पर पारंपरिक भौतिकी की भविष्यवाणी से कहीं अधिक है।"
यह केवल अधिक गर्मी मार्ग जोड़ने के बारे में नहीं है। सोने की संरचनाएं सामग्री में प्राकृतिक रूप से पाई जाने वाली ऊर्जा तरंगों के साथ बातचीत करती हैं, जिन्हें सरफेस फोनॉन पोलरिटॉन कहा जाता है, जो एक अनुनाद प्रभाव पैदा करती हैं। "ये युग्मित कंपन ऊर्जा को अंतराल के पार अधिक स्वतंत्र रूप से और कुशलता से स्थानांतरित करने की अनुमति देते हैं," पीएचडी छात्र और सह-प्रथम लेखक ज़ेक्सियाओ वांग ने कहा।
"यह एक सहकारी प्रभाव है," शेन ने कहा। "संरचनाएं और सामग्री एक दूसरे को प्रवर्धित करते हैं।"
संभावित अनुप्रयोगों में लगातार छोटे और गर्म होते कंप्यूटर चिप्स के लिए बेहतर शीतलन, बेहतर थर्मोफोटोवोल्टिक सिस्टम जो गर्मी को बिजली में बदलते हैं, और पर्यावरण निगरानी से लेकर राष्ट्रीय सुरक्षा तक हर चीज़ के लिए तेज इन्फ्रारेड सेंसिंग शामिल है।
अभी के लिए, यह सब नैनोस्केल पर सावधानीपूर्वक नियंत्रित प्रयोगशाला स्थितियों के तहत काम करता है, लेकिन यह सिद्धांत से वास्तविक दुनिया के प्रदर्शन की ओर एक कदम है। "यदि गर्मी को बिजली या प्रकाश के समान सटीकता के साथ इंजीनियर किया जा सकता है, तो यह एक नए वर्ग की प्रौद्योगिकियों के लिए द्वार खोल सकता है जो न केवल गर्मी को सहन करने के लिए बल्कि इसका दोहन करने के लिए बनाई गई हैं," शेन ने कहा।
यह कार्य रक्षा खतरा न्यूनीकरण एजेंसी, राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन और वायु सेना वैज्ञानिक अनुसंधान कार्यालय द्वारा समर्थित था। संबंधित लेखक शेंग शेन और शानहुई फैन हैं। ज़ेक्सियाओ वांग, रेनवेन यू और हकन सालिहोग्लू ने समान रूप से योगदान दिया।