Otetaan enemmän irti lämmönsiirrosta

Insinöörit ovat osoittaneet uuden tavan tehostaa merkittävästi lämmönsiirtoa nanotasolla. Tämä läpimurto voisi muuttaa energiajärjestelmiä, elektroniikan jäähdytystä ja edistyneitä tunnistustekniikoita.

Carnegie Mellon -yliopiston tutkijoiden yhteistyössä Stanfordin yliopiston ja Purduen yliopiston kollegoiden kanssa tekemä tutkimus osoittaa, että lämpöä voidaan manipuloida paljon tehokkaammin kuin aiemmin on osoitettu käyttämällä huolellisesti suunniteltuja metamateriaaleja. Työ tarjoaa yhden tähän mennessä selkeimmistä kokeellisista vahvistuksista sille, että lämmönsiirtoa voidaan suunnitella ja parantaa aktiivisesti.

Löydön ytimessä on ilmiö nimeltä lähikentän säteilylämmönsiirto. Kun kaksi kappaletta tuodaan vain muutaman sadan nanometrin päähän toisistaan, lämpö ei vain säteile pois tavanomaisessa mielessä. Sen sijaan se voi tunneloitua raon poikki sähkömagneettisten aaltojen avulla, mikä lisää dramaattisesti niiden välisen energian virtausta.

Tutkijat ovat tienneet tästä ilmiöstä jo vuosia, mutta he eivät ole tähän mennessä kyenneet kokeellisesti osoittamaan, miten sitä voitaisiin viedä pidemmälle keinotekoisten rakenteiden avulla. Tässä kohtaa metamateriaalit tulevat mukaan kuvaan.

”Kuvioimme mikroskooppisia kultarakenteita ohuille kalvoille ja sijoitimme ne vastakkain nanomittaisen raon poikki. Tämä lisäsi lämmönsiirtoa jopa nelinkertaisesti verrattuna vastaaviin kokoonpanoihin ilman metamateriaaleja, mikä on paljon enemmän kuin mitä perinteinen fysiikka ennustaisi suuremmilla etäisyyksillä.”

”Sen sijaan, että kultarakenteet vain lisäisivät lämpöreittejä, ne ovat vuorovaikutuksessa materiaalissa luonnollisesti esiintyvien energia-aaltojen, jotka tunnetaan pintafononipolaritoneina, kanssa ja luovat resonanssivaikutuksen”, sanoo Shenin tutkimusryhmän tohtoriopiskelija Zexiao Wang. ”Nämä kytketyt värähtelyt mahdollistavat energian liikkumisen vapaammin ja tehokkaammin raon yli.”

Laboratorion ulkopuolella ilmiön vaikutukset voivat olla merkittäviä. Elektronisten laitteiden kutistuessa ja laskentatehon kasvaessa lämmönhallinnasta on tullut yksi suurimmista teknisistä haasteista. Kyky hallita tarkasti lämmön virtausta voi johtaa uusiin jäähdytysstrategioihin siruille ja tehokkaille järjestelmille.

Toistaiseksi työ on nanomittakaavassa, ja sitä suoritetaan huolellisesti kontrolloiduissa laboratorio-olosuhteissa, mutta tämä merkitsee tärkeää siirtymistä teoriasta demonstraatioon.

"Jos lämpöä voidaan käsitellä yhtä tarkasti kuin sähköä tai valoa, se voi avata oven uudenlaiselle teknologialle, joka ei ole tarkoitettu vain kestämään lämpöä, vaan myös valjastamaan sitä", Shen sanoi.

Aiheesta aiemmin:

Sähkökenttä virittää värähtelyjä helpottaakseen lämmönsiirtoa

Nanomittakaavan lämpösähköisistä ilmiöistä

Lämmönsiirtoa tyhjyyden läpi