Warmte is dat ding dat je elke dag tegenkomt - je koffie koelt af, je laptop warmt op, en de zon verandert de aarde in een gigantische pizza. Maar zoom in op afstanden kleiner dan een mensenhaar, en warmte begint zich te gedragen alsof het de natuurkundememo heeft gemist.

Onderzoekers van Carnegie Mellon University, Stanford en Purdue hebben nu een krachtige nieuwe methode gedemonstreerd voor het beheersen van warmte op nanoschaal, gepubliceerd in Nature. Ze hebben sterk experimenteel bewijs geleverd dat warmteoverdracht opzettelijk kan worden ontworpen en aanzienlijk kan worden verbeterd met behulp van speciaal ontworpen metamaterialen.

De sleutel is een fenomeen dat nabij-veld stralingswarmteoverdracht wordt genoemd. Wanneer twee objecten slechts een paar honderd nanometer van elkaar verwijderd zijn, kan warmte via elektromagnetische golven door de opening tunnelen - veel efficiënter dan wanneer je het gewoon zou laten uitstralen als een brave thermische burger.

Wetenschappers weten dit al jaren, maar bewijzen dat je het drastisch kunt opvoeren was een uitdaging. Betreed metamaterialen: ontworpen materialen met microscopische herhalende structuren die op een zeer gecontroleerde manier met energie interageren.

“We hebben microscopische goudstructuren op dunne membranen aangebracht en ze tegenover elkaar geplaatst over een nanoschaal opening,” zei Sheng Shen, hoogleraar mechanische engineering aan Carnegie Mellon en senior auteur. “Dit verhoogde de warmteoverdracht met maar liefst vier keer in vergelijking met vergelijkbare opstellingen zonder metamaterialen - ver buiten wat traditionele fysica zou voorspellen op grotere afstanden.”

Het gaat niet alleen om het toevoegen van meer warmteroutes. De goudstructuren interageren met natuurlijk voorkomende energiegolven in het materiaal, genaamd oppervlaktefononpolaritonen, waardoor een resonantie-effect ontstaat. “Deze gekoppelde trillingen zorgen ervoor dat energie vrijer en efficiënter over de opening kan bewegen,” zei Zexiao Wang, een promovendus en co-eerste auteur.

“Het is een coöperatief effect,” voegde Shen toe. “De structuren en het materiaal versterken elkaar.”

Potentiële toepassingen zijn onder andere betere koeling voor steeds kleinere, steeds hetere computerchips, verbeterde thermofotovoltaïsche systemen die warmte omzetten in elektriciteit, en scherpere infrarooddetectie voor alles van milieumonitoring tot nationale veiligheid.

Voorlopig werkt dit allemaal onder zorgvuldig gecontroleerde laboratoriumomstandigheden op nanoschaal, maar het markeert een stap van theorie naar real-world demonstratie. “Als warmte met dezelfde precisie kan worden ontworpen als elektriciteit of licht, kan het de deur openen naar een nieuwe klasse technologieën die niet alleen zijn gebouwd om warmte te weerstaan, maar om het te benutten,” zei Shen.

Het werk werd ondersteund door het Defense Threat Reduction Agency, de National Science Foundation en het Air Force Office of Scientific Research. Corresponderende auteurs zijn Sheng Shen en Shanhui Fan. Zexiao Wang, Renwen Yu en Hakan Salihoglu hebben gelijkwaardig bijgedragen.