Наномасштабная передача тепла в 100 раз сильнее, чем раньше
Новый прорыв в наномасштабном теплообмене может переопределить то, что когда-то считалось возможным с помощью обычных законов теплового излучения.
Передача тепла в наноуровне была важной проблемой для множества применений нанотехнологий. В настоящее время существуют две основные проблемы. Во-первых, это администрирование и проведение тепла, разработанного внутри нанотехнологических устройств, для сохранения производительности и надежности их компонентов. Второй фактически использует нанотехнологию для контроля потока тепла, а также его преобразования в энергию. Эти проблемы возникают в таких областях, как термофотоэлектричество, интегральные схемы и полупроводниковые лазеры.
В недавнем исследовании, опубликованном в Nature Nanotechnology, несколько команд исследователей из Стэнфорда, Корнелла и Columbia Engineering доказали, что передача тепла может быть произведена почти в сотни раз сильнее, чем когда-то считалось. Это было продемонстрировано путем приближения двух проводящих поверхностей; на наноразмерных расстояниях. Ведущие исследователи Shanhui Fan из инженерной школы Стэнфордского университета и профессор электротехники профессор Michal Lipson из Columbia Engineering возглавили исследовательский проект, направленный на создание более высокой и более эффективной передачи тепла.
Теплопередача значительно возрастает в наномасштабе. Изображение предоставлено Рафаэлем Сент-Геласом группы Lipson Nanofhotonics
Считалось, что перенос тепла на наноразмерных расстояниях сильно отличается от переноса микро- и макромасштабов. По мере приближения длины устройства к наномасштабу он также приближается к длине волны и среднему расстоянию свободного пробега теплоносителей, таких как фотоны, электроны и молекулы. Когда структура или длина устройства приближаются к этим наномасштабным расстояниям, наши классические законы становятся недействительными; должны быть приняты новые методы и расчеты для прогнозирования теплопередачи таких устройств. Так же, как закон Ома является железным для электрических проводников, закон Фурье можно рассматривать как эмпирическое правило переноса тепла в твердых телах. Закон Фурье утверждает, что теплопроводность не зависит от длины образца и имеет тенденцию нарушаться при достижении одномерного и наноразмерного расстояния.
Липсон утверждает: «При расстояниях до 40 нанометров мы достигли почти 100-кратного повышения теплоотдачи по сравнению с классическими предсказаниями». Это открытие значительно более разрушительно, чем когда-то ожидалось, поскольку наши обычные законы теплового излучения предсказали, что результаты будут намного менее эффективными. Многие команды исследователей прежде всего углубились в демонстрацию взаимодействия и теплопередачи наноразмерных систем, но ни один из них не дал результатов, которые могли бы использоваться для энергетических применений, таких как преобразование тепла непосредственно в электричество.
Теплообмен с использованием света считается очень слабой формой передачи энергии, поскольку мы обычно используем проводимость или конвекцию для получения гораздо более эффективных и больших результатов теплопередачи. Основной проблемой радиационного теплообмена на этих расстояниях является то, что чрезвычайно сложно поддерживать равномерные тепловые градиенты, а также избегать проводимости и конвекции.
Видео устройства MEMS, взятого под микроскопом, для отображения увеличения теплопередачи по мере приближения лучей. Также группа Lipson Nanofhotonics
Команда по нанофотонике Липсона разместила объекты с разной температурой в пределах 100 нм или одну миллиардную часть метра рядом друг с другом. Они продемонстрировали усиленный радиационный теплообмен при ближнем поле между параллельными наночастицами SiC в глубоком субволновом режиме. Микроэлектронная система использовалась для контроля длины зазора между нанонами. Это позволило им использовать устойчивость нанопузы, чтобы уменьшить изгиб при высоких температурах, а также контролировать разделение и равномерность даже при больших тепловых градиентах. Команда Lipson смогла воспроизвести этот эксперимент с разностями температур до 500 градусов F, что выглядит очень перспективным для приложений преобразования энергии.
«Важным следствием нашей работы является то, что тепловое излучение теперь можно использовать в качестве доминирующего механизма теплопередачи между объектами при разных температурах», - Рафаэль Сент-Гелаис.
Подобные механизмы и методы, которые используются для управления светом, теперь могут использоваться для управления передачей тепла электричеству. Исследование направлено на приложения в области преобразования энергии, биотехнологии, синтеза наноматериалов и нанообработки, а также широкого спектра современных технологий, которые могут использовать необычную физику теплообмена в наноструктурах.