Тепло — это то, с чем вы сталкиваетесь каждый день: ваш кофе остывает, ноутбук нагревается, а солнце превращает Землю в гигантскую пиццу. Но если приблизиться к расстояниям, меньшим человеческого волоса, тепло начинает вести себя так, будто пропустило памятку по физике.

Исследователи из Университета Карнеги-Меллона, Стэнфорда и Пердью продемонстрировали новый мощный метод управления теплом в наномасштабе, опубликованный в Nature. Они предоставили убедительные экспериментальные доказательства того, что теплопередачу можно намеренно инженерить и значительно усиливать с помощью специально разработанных метаматериалов.

Ключевым является явление, называемое ближнепольным радиационным теплопереносом. Когда два объекта разделены всего несколькими сотнями нанометров, тепло может туннелировать через зазор с помощью электромагнитных волн — гораздо эффективнее, чем если бы оно просто излучалось, как добропорядочный тепловой гражданин.

Учёные знали об этом годами, но доказать, что можно резко увеличить этот эффект, было сложно. Встречайте метаматериалы: инженерные материалы с микроскопическими повторяющимися структурами, которые взаимодействуют с энергией строго контролируемым образом.

«Мы нанесли микроскопические золотые структуры на тонкие мембраны и расположили их лицом к лицу через нанометровый зазор», — сказал Шэн Шэнь, профессор машиностроения в Карнеги-Меллоне и старший автор. «Это увеличило теплопередачу в четыре раза по сравнению с аналогичными установками без метаматериалов — далеко за пределами того, что предсказывает традиционная физика на больших расстояниях».

Дело не только в добавлении дополнительных тепловых путей. Золотые структуры взаимодействуют с естественными энергетическими волнами в материале, называемыми поверхностными фонон-поляритонами, создавая резонансный эффект. «Эти связанные колебания позволяют энергии двигаться более свободно и эффективно через зазор», — сказал Зэсяо Ван, аспирант и соавтор.

«Это кооперативный эффект», — добавил Шэнь. «Структуры и материал усиливают друг друга».

Потенциальные применения включают лучшее охлаждение для постоянно уменьшающихся и нагревающихся компьютерных чипов, улучшенные термофотовольтаические системы, превращающие тепло в электричество, и более точное инфракрасное зондирование для всего — от мониторинга окружающей среды до национальной безопасности.

Пока всё это работает в тщательно контролируемых лабораторных условиях в наномасштабе, но это шаг от теории к реальной демонстрации. «Если тепло можно будет инженерить с той же точностью, что и электричество или свет, это может открыть дверь к новому классу технологий, созданных не просто для того, чтобы выдерживать тепло, но и использовать его», — сказал Шэнь.

Работа была поддержана Агентством по уменьшению угрозы обороны, Национальным научным фондом и Управлением научных исследований ВВС. Ответственные авторы — Шэн Шэнь и Шанхуэй Фань. Зэсяо Ван, Жэньвэнь Юй и Хакан Салихоглу внесли равный вклад.