Calor é aquela coisa que você encontra todo dia - seu café esfria, seu laptop esquenta, e o sol transforma a Terra numa pizza gigante. Mas dê um zoom em distâncias menores que um fio de cabelo humano, e o calor começa a agir como se tivesse perdido o memorando da física.
Pesquisadores da Carnegie Mellon University, Stanford e Purdue agora demonstraram um novo método poderoso para controlar o calor na nanoescala, publicado na Nature. Eles forneceram fortes evidências experimentais de que a transferência de calor pode ser intencionalmente projetada e significativamente aprimorada usando metamateriais especialmente projetados.
A chave é um fenômeno chamado transferência de calor radiativa de campo próximo. Quando dois objetos estão separados por apenas algumas centenas de nanômetros, o calor pode tunelar através do vão por meio de ondas eletromagnéticas - de forma muito mais eficiente do que se você apenas deixasse irradiar como um bom cidadão térmico.
Cientistas sabem disso há anos, mas provar que você pode aumentar drasticamente tem sido um desafio. Entram os metamateriais: materiais projetados com estruturas repetitivas microscópicas que interagem com a energia de maneiras altamente controladas.
“Padronizamos estruturas microscópicas de ouro em membranas finas e as posicionamos frente a frente através de um vão nanométrico”, disse Sheng Shen, professor de engenharia mecânica na Carnegie Mellon e autor sênior. “Isso aumentou a transferência de calor em até quatro vezes em comparação com configurações similares sem metamateriais - muito além do que a física tradicional preveria em distâncias maiores.”
Não se trata apenas de adicionar mais rotas de calor. As estruturas de ouro interagem com ondas de energia que ocorrem naturalmente no material, chamadas fônons de superfície polaritons, criando um efeito de ressonância. “Essas vibrações acopladas permitem que a energia se mova mais livre e eficientemente através do vão”, disse Zexiao Wang, estudante de doutorado e co-primeiro autor.
“É um efeito cooperativo”, acrescentou Shen. “As estruturas e o material se amplificam mutuamente.”
As aplicações potenciais incluem melhor resfriamento para chips de computador cada vez menores e mais quentes, sistemas termofotovoltaicos aprimorados que transformam calor em eletricidade, e sensoriamento infravermelho mais nítido para tudo, desde monitoramento ambiental até segurança nacional.
Por enquanto, tudo isso funciona sob condições de laboratório cuidadosamente controladas na nanoescala, mas marca um passo da teoria para a demonstração no mundo real. “Se o calor puder ser projetado com a mesma precisão que a eletricidade ou a luz, pode abrir a porta para uma nova classe de tecnologias construídas não apenas para suportar o calor, mas para aproveitá-lo”, disse Shen.
O trabalho foi apoiado pela Defense Threat Reduction Agency, pela National Science Foundation e pelo Air Force Office of Scientific Research. Os autores correspondentes são Sheng Shen e Shanhui Fan. Zexiao Wang, Renwen Yu e Hakan Salihoglu contribuíram igualmente.