Căldura este acel lucru pe care îl întâlnești în fiecare zi – cafeaua se răcește, laptopul se încălzește, iar soarele transformă Pământul într-o pizza uriașă. Dar dacă te apropii la distanțe mai mici decât un fir de păr uman, căldura începe să se comporte de parcă ar fi ratat memoriul fizicii.

Cercetători de la Universitatea Carnegie Mellon, Stanford și Purdue au demonstrat acum o nouă metodă puternică de control al căldurii la nanoscară, publicată în Nature. Ei au oferit dovezi experimentale solide că transferul de căldură poate fi proiectat intenționat și îmbunătățit semnificativ folosind metamateriale special concepute.

Cheia este un fenomen numit transfer radiativ de căldură în câmp apropiat. Când două obiecte sunt separate de doar câteva sute de nanometri, căldura poate traversa golul prin unde electromagnetice – mult mai eficient decât dacă ai lăsa-o să radieze ca un bun cetățean termic.

Oamenii de știință știu de ani de zile de acest fenomen, dar a dovedi că poți crește dramatic transferul a fost o provocare. Intră metamaterialele: materiale proiectate cu structuri microscopice repetitive care interacționează cu energia în moduri foarte controlate.

„Am modelat structuri microscopice de aur pe membrane subțiri și le-am poziționat față în față peste un gol nanometric,” a spus Sheng Shen, profesor de inginerie mecanică la Carnegie Mellon și autor principal. „Aceasta a crescut transferul de căldură de până la patru ori comparativ cu configurații similare fără metamateriale – mult dincolo de ceea ce ar prezice fizica tradițională la distanțe mai mari.”

Nu este vorba doar de adăugarea mai multor rute de căldură. Structurile de aur interacționează cu undele de energie naturale din material, numite fononi polaritoni de suprafață, creând un efect de rezonanță. „Aceste vibrații cuplate permit energiei să se miște mai liber și mai eficient peste gol,” a spus Zexiao Wang, student doctorand și co-prim autor.

„Este un efect cooperativ,” a adăugat Shen. „Structurile și materialul se amplifică reciproc.”

Aplicațiile potențiale includ răcirea mai bună a cipurilor de calculator din ce în ce mai mici și mai fierbinți, îmbunătățirea sistemelor termofotovoltaice care transformă căldura în electricitate și detectarea infraroșu mai precisă pentru tot, de la monitorizarea mediului la securitatea națională.

Deocamdată, totul funcționează în condiții de laborator strict controlate la nanoscară, dar marchează un pas de la teorie la demonstrație practică. „Dacă căldura poate fi proiectată cu aceeași precizie ca electricitatea sau lumina, s-ar putea deschide ușa către o nouă clasă de tehnologii construite nu doar pentru a rezista căldurii, ci pentru a o valorifica,” a spus Shen.

Lucrarea a fost susținută de Agenția de Reducere a Amenințărilor pentru Apărare, Fundația Națională pentru Știință și Oficiul de Cercetare Științifică al Forțelor Aeriene. Autorii corespondenți sunt Sheng Shen și Shanhui Fan. Zexiao Wang, Renwen Yu și Hakan Salihoglu au contribuit în mod egal.