Värme är den där saken du stöter på varje dag – ditt kaffe svalnar, din laptop blir varm och solen förvandlar jorden till en jättepizza. Men zooma in på avstånd mindre än ett människohår, och värmen börjar bete sig som om den missade fysikmemo.
Forskare från Carnegie Mellon University, Stanford och Purdue har nu demonstrerat en kraftfull ny metod för att kontrollera värme på nanoskala, publicerad i Nature. De har gett starka experimentella bevis för att värmeöverföring kan avsiktligt konstrueras och avsevärt förbättras med hjälp av specialdesignade metamaterial.
Nyckeln är ett fenomen som kallas närfältsstrålningsvärmeöverföring. När två objekt är åtskilda med bara några hundra nanometer kan värme tunnla över gapet via elektromagnetiska vågor – långt effektivare än om du bara lät det stråla ut som en god värmemedborgare.
Forskare har känt till detta i åratal, men att bevisa att du kan skruva upp det dramatiskt har varit en utmaning. Gå in metamaterial: konstruerade material med mikroskopiska upprepande strukturer som interagerar med energi på mycket kontrollerade sätt.
”Vi mönstrade mikroskopiska guldstrukturer på tunna membran och placerade dem ansikte mot ansikte över ett nanoskala gap”, säger Sheng Shen, professor i maskinteknik vid Carnegie Mellon och senior författare. ”Detta ökade värmeöverföringen med så mycket som fyra gånger jämfört med liknande uppställningar utan metamaterial – långt bortom vad traditionell fysik skulle förutsäga på större avstånd.”
Det handlar inte bara om att lägga till fler värmvägar. Guldstrukturerna interagerar med naturligt förekommande energivågor i materialet, kallade ytfononpolaritoner, vilket skapar en resonanseffekt. ”Dessa kopplade vibrationer gör att energi kan röra sig friare och effektivare över gapet”, säger Zexiao Wang, doktorand och medförstaförfattare.
”Det är en samarbetseffekt”, tillade Shen. ”Strukturerna och materialet förstärker varandra.”
Potentiella tillämpningar inkluderar bättre kylning för allt mindre, allt varmare datachip, förbättrade termofotovoltaiska system som omvandlar värme till elektricitet och skarpare infraröd avkänning för allt från miljöövervakning till nationell säkerhet.
För närvarande fungerar allt detta under noggrant kontrollerade laboratorieförhållanden på nanoskala, men det markerar ett steg från teori till verklig demonstration. ”Om värme kan konstrueras med samma precision som elektricitet eller ljus, kan det öppna dörren till en ny klass av teknologier byggda inte bara för att motstå värme, utan för att utnyttja den”, säger Shen.
Arbetet stöddes av Defense Threat Reduction Agency, National Science Foundation och Air Force Office of Scientific Research. Motsvarande författare är Sheng Shen och Shanhui Fan. Zexiao Wang, Renwen Yu och Hakan Salihoglu bidrog lika.