Isı, her gün karşılaştığınız bir şeydir - kahveniz soğur, dizüstü bilgisayarınız ısınır ve güneş Dünya'yı dev bir pizzaya çevirir. Ancak bir insan saçından daha küçük mesafelere yakınlaştırdığınızda, ısı fizik notlarını kaçırmış gibi davranmaya başlar.
Carnegie Mellon Üniversitesi, Stanford ve Purdue'den araştırmacılar şimdi Nature'da yayınlanan çalışmalarıyla nano ölçekte ısıyı kontrol etmek için güçlü bir yeni yöntem sergilediler. Özel olarak tasarlanmış metamalzemeler kullanarak ısı transferinin kasıtlı olarak mühendislikle geliştirilebileceğine ve önemli ölçüde artırılabileceğine dair güçlü deneysel kanıtlar sağladılar.
Anahtar, yakın alan ışımalı ısı transferi adı verilen bir olgudur. İki nesne yalnızca birkaç yüz nanometre ile ayrıldığında, ısı elektromanyetik dalgalar aracılığıyla boşluğu tünelleyebilir - iyi bir termal vatandaş gibi dışarıya ışıma yapmasına izin verseniz olacağından çok daha verimli bir şekilde.
Bilim insanları bunu yıllardır biliyor, ancak bunu önemli ölçüde artırabileceğinizi kanıtlamak zor oldu. Metamalzemeler sahneye çıkıyor: enerjiyle son derece kontrollü şekillerde etkileşime giren mikroskobik tekrarlayan yapılara sahip mühendislik ürünü malzemeler.
"İnce membranlar üzerine mikroskobik altın yapılar desenledik ve bunları nano ölçekli bir boşluk boyunca yüz yüze yerleştirdik," dedi Carnegie Mellon'da makine mühendisliği profesörü ve kıdemli yazar Sheng Shen. "Bu, metamalzeme olmayan benzer düzeneklere kıyasla ısı transferini dört kata kadar artırdı - geleneksel fiziğin daha büyük mesafelerde tahmin edeceğinin çok ötesinde."
Bu sadece daha fazla ısı yolu eklemekle ilgili değil. Altın yapılar, malzemedeki doğal olarak oluşan yüzey fonon polaritonları adı verilen enerji dalgalarıyla etkileşime girerek bir rezonans etkisi yaratıyor. "Bu birleşik titreşimler, enerjinin boşluk boyunca daha serbest ve verimli bir şekilde hareket etmesini sağlıyor," dedi doktora öğrencisi ve eş-birinci yazar Zexiao Wang.
"Bu işbirlikçi bir etki," diye ekledi Shen. "Yapılar ve malzeme birbirini güçlendiriyor."
Potansiyel uygulamalar arasında giderek küçülen ve ısınan bilgisayar çipleri için daha iyi soğutma, ısıyı elektriğe dönüştüren gelişmiş termofotovoltaik sistemler ve çevresel izlemeden ulusal güvenliğe kadar her şey için daha keskin kızılötesi algılama yer alıyor.
Şimdilik, tüm bunlar nano ölçekte dikkatlice kontrol edilen laboratuvar koşullarında çalışıyor, ancak teoriden gerçek dünya gösterimine bir adım teşkil ediyor. "Isı, elektrik veya ışıkla aynı hassasiyetle mühendislik yapılabilirse, bu sadece ısıya dayanmakla kalmayıp onu kullanmak için inşa edilmiş yeni bir teknoloji sınıfının kapısını açabilir," dedi Shen.
Çalışma, Savunma Tehdit Azaltma Ajansı, Ulusal Bilim Vakfı ve Hava Kuvvetleri Bilimsel Araştırma Ofisi tarafından desteklendi. Sorumlu yazarlar Sheng Shen ve Shanhui Fan. Zexiao Wang, Renwen Yu ve Hakan Salihoglu eşit katkıda bulundu.