열은 매일 마주치는 것입니다. 커피는 식고, 노트북은 뜨거워지며, 태양은 지구를 거대한 피자로 만듭니다. 하지만 머리카락보다 작은 거리로 확대해 보면, 열은 물리학 메모를 놓친 것처럼 행동하기 시작합니다.
카네기멜론 대학, 스탠포드, 퍼듀 대학의 연구자들은 이제 나노 규모에서 열을 제어하는 강력한 새로운 방법을 시연했으며, 이는 Nature에 게재되었습니다. 그들은 특별히 설계된 메타물질을 사용하여 열 전달을 의도적으로 조작하고 크게 향상시킬 수 있다는 강력한 실험적 증거를 제공했습니다.
핵심은 근접장 복사 열 전달이라는 현상입니다. 두 물체가 수백 나노미터만 떨어져 있을 때, 열은 전자기파를 통해 간격을 터널링할 수 있으며, 이는 열이 좋은 열 시민처럼 방사되도록 내버려 두는 것보다 훨씬 효율적입니다.
과학자들은 이 현상을 수년간 알고 있었지만, 이를 극적으로 증가시킬 수 있다는 것을 증명하는 것은 도전이었습니다. 여기서 메타물질이 등장합니다: 미세한 반복 구조를 가진 공학 재료로, 에너지와 매우 제어된 방식으로 상호작용합니다.
"우리는 얇은 막 위에 미세한 금 구조를 패턴화하고 나노미터 간격을 두고 마주보게 배치했습니다,"라고 카네기멜론 대학의 기계 공학 교수이자 수석 저자인 Sheng Shen이 말했습니다. "이로 인해 메타물질이 없는 유사한 설정에 비해 열 전달이 최대 4배 증가했습니다. 이는 전통적인 물리학이 더 큰 거리에서 예측하는 것보다 훨씬 뛰어납니다."
단순히 열 경로를 추가하는 것만이 아닙니다. 금 구조는 재료 내에서 자연적으로 발생하는 에너지 파동, 즉 표면 포논 폴라리톤과 상호작용하여 공명 효과를 만듭니다. "이 결합된 진동은 에너지가 간격을 가로질러 더 자유롭고 효율적으로 이동할 수 있게 합니다,"라고 박사 과정 학생이자 공동 제1저자인 Zexiao Wang이 말했습니다.
"협력 효과입니다,"라고 Shen이 덧붙였습니다. "구조와 재료가 서로를 증폭시킵니다."
잠재적 응용 분야로는 점점 작아지고 뜨거워지는 컴퓨터 칩을 위한 더 나은 냉각, 열을 전기로 변환하는 개선된 열광전지 시스템, 환경 모니터링부터 국가 안보까지 더 선명한 적외선 감지 등이 있습니다.
현재로서는 이 모든 것이 나노 규모의 신중하게 제어된 실험실 조건에서 작동하지만, 이론에서 실제 시연으로의 한 걸음을 의미합니다. "열이 전기나 빛과 같은 정밀도로 공학적으로 다루어질 수 있다면, 열을 견디는 것뿐만 아니라 활용하는 새로운 종류의 기술에 문을 열 수 있을 것입니다,"라고 Shen이 말했습니다.
이 연구는 국방위협감소국, 국립과학재단, 공군과학연구청의 지원을 받았습니다. 교신 저자는 Sheng Shen과 Shanhui Fan입니다. Zexiao Wang, Renwen Yu, Hakan Salihoglu가 동등하게 기여했습니다.