Il calore è quella cosa che incontri ogni giorno: il tuo caffè si raffredda, il tuo laptop si surriscalda e il sole trasforma la Terra in una gigantesca pizza. Ma se ti avvicini a distanze più piccole di un capello umano, il calore inizia a comportarsi come se avesse perso il promemoria della fisica.

Ricercatori della Carnegie Mellon University, Stanford e Purdue hanno ora dimostrato un potente nuovo metodo per controllare il calore alla nanoscala, pubblicato su Nature. Hanno fornito forti prove sperimentali che il trasferimento di calore può essere intenzionalmente ingegnerizzato e significativamente migliorato utilizzando metamateriali appositamente progettati.

La chiave è un fenomeno chiamato trasferimento di calore radiativo in campo vicino. Quando due oggetti sono separati da poche centinaia di nanometri, il calore può attraversare il vuoto tramite onde elettromagnetiche, in modo molto più efficiente di quanto farebbe se si irradiasse come un buon cittadino termico.

Gli scienziati lo sanno da anni, ma dimostrare di poterlo aumentare drasticamente è stata una sfida. Entrano in gioco i metamateriali: materiali ingegnerizzati con strutture ripetitive microscopiche che interagiscono con l'energia in modi altamente controllati.

"Abbiamo modellato strutture d'oro microscopiche su membrane sottili e le abbiamo posizionate faccia a faccia attraverso un vuoto nanometrico," ha detto Sheng Shen, professore di ingegneria meccanica alla Carnegie Mellon e autore senior. "Questo ha aumentato il trasferimento di calore fino a quattro volte rispetto a configurazioni simili senza metamateriali, ben oltre quanto la fisica tradizionale prevederebbe a distanze maggiori."

Non si tratta solo di aggiungere più percorsi per il calore. Le strutture d'oro interagiscono con le onde energetiche naturali nel materiale, chiamate polaritoni fononici di superficie, creando un effetto di risonanza. "Queste vibrazioni accoppiate permettono all'energia di muoversi più liberamente ed efficientemente attraverso il vuoto," ha detto Zexiao Wang, dottorando e co-primo autore.

"È un effetto cooperativo," ha aggiunto Shen. "Le strutture e il materiale si amplificano a vicenda."

Le potenziali applicazioni includono un migliore raffreddamento per chip di computer sempre più piccoli e caldi, sistemi termofotovoltaici migliorati che trasformano il calore in elettricità e sensori infrarossi più precisi per tutto, dal monitoraggio ambientale alla sicurezza nazionale.

Per ora, tutto funziona in condizioni di laboratorio attentamente controllate alla nanoscala, ma segna un passo dalla teoria alla dimostrazione pratica. "Se il calore può essere ingegnerizzato con la stessa precisione dell'elettricità o della luce, potrebbe aprire la porta a una nuova classe di tecnologie costruite non solo per resistere al calore, ma per sfruttarlo," ha detto Shen.

Il lavoro è stato sostenuto dalla Defense Threat Reduction Agency, dalla National Science Foundation e dall'Air Force Office of Scientific Research. Gli autori corrispondenti sono Sheng Shen e Shanhui Fan. Zexiao Wang, Renwen Yu e Hakan Salihoglu hanno contribuito equamente.