Ciepło to coś, z czym spotykasz się każdego dnia – twoja kawa stygnie, laptop się nagrzewa, a słońce zamienia Ziemię w gigantyczną pizzę. Ale przybliż się do odległości mniejszych niż ludzki włos, a ciepło zaczyna zachowywać się, jakby przegapiło lekcję fizyki.

Naukowcy z Carnegie Mellon University, Stanford i Purdue właśnie zademonstrowali potężną nową metodę kontrolowania ciepła w nanoskali, opublikowaną w Nature. Dostarczyli silnych dowodów eksperymentalnych, że transfer ciepła może być celowo inżynierowany i znacznie wzmocniony za pomocą specjalnie zaprojektowanych metamateriałów.

Kluczem jest zjawisko zwane bliskopolowym radiacyjnym transferem ciepła. Gdy dwa obiekty są oddzielone zaledwie kilkoma setkami nanometrów, ciepło może tunelować przez szczelinę za pomocą fal elektromagnetycznych – znacznie wydajniej, niż gdybyś pozwolił mu promieniować jak porządny obywatel termiczny.

Naukowcy wiedzieli o tym od lat, ale udowodnienie, że można to znacznie zwiększyć, było wyzwaniem. Wchodzą metamateriały: inżynieryjne materiały z mikroskopijnymi powtarzającymi się strukturami, które oddziałują z energią w wysoce kontrolowany sposób.

„Wytrawiliśmy mikroskopijne złote struktury na cienkich membranach i umieściliśmy je naprzeciwko siebie w poprzek nanoskalowej szczeliny” – powiedział Sheng Shen, profesor inżynierii mechanicznej na Carnegie Mellon i starszy autor. „Zwiększyło to transfer ciepła aż czterokrotnie w porównaniu do podobnych układów bez metamateriałów – znacznie poza to, co przewiduje tradycyjna fizyka na większych odległościach.”

Nie chodzi tylko o dodanie większej liczby dróg ciepła. Złote struktury oddziałują z naturalnie występującymi falami energii w materiale, zwanymi powierzchniowymi fononami polarytonowymi, tworząc efekt rezonansu. „Te sprzężone wibracje pozwalają energii poruszać się swobodniej i wydajniej przez szczelinę” – powiedział Zexiao Wang, doktorant i współpierwszy autor.

„To efekt kooperacyjny” – dodał Shen. „Struktury i materiał wzmacniają się nawzajem.”

Potencjalne zastosowania obejmują lepsze chłodzenie dla coraz mniejszych i gorętszych układów scalonych, ulepszone systemy termofotowoltaiczne przekształcające ciepło w energię elektryczną oraz ostrzejsze czujniki podczerwieni do wszystkiego, od monitorowania środowiska po bezpieczeństwo narodowe.

Na razie wszystko to działa w starannie kontrolowanych warunkach laboratoryjnych w nanoskali, ale oznacza to krok od teorii do rzeczywistej demonstracji. „Jeśli ciepło można inżynierować z taką samą precyzją jak elektryczność czy światło, może to otworzyć drzwi do nowej klasy technologii zbudowanych nie tylko po to, by wytrzymać ciepło, ale by je wykorzystać” – powiedział Shen.

Prace wsparły Defense Threat Reduction Agency, National Science Foundation oraz Air Force Office of Scientific Research. Autorami korespondencyjnymi są Sheng Shen i Shanhui Fan. Zexiao Wang, Renwen Yu i Hakan Salihoglu wnieśli równy wkład.