Cuando el calor viaja entre dos objetos que no se tocan, fluye de manera diferente en las escalas más pequeñas: distancias del orden del diámetro del ADN, o 1 / 50,000 de un cabello humano.
Si bien los investigadores han sido conscientes de esto durante décadas, no han entendido el proceso. El flujo de calor a menudo debe evitarse o aprovecharse y la falta de una forma precisa de predecirlo representa un cuello de botella en el desarrollo de la nanotecnología.
Ahora, en un laboratorio único de vibraciones ultra bajas en la Universidad de Michigan, los ingenieros han medido cómo el calor se irradia de una superficie a otra en el vacío a distancias de hasta 2 nanómetros.
Si bien la energía térmica todavía fluye del lugar más cálido al más frío, los investigadores descubrieron que lo hace 10,000 veces más rápido de lo que lo haría a la escala de, por ejemplo, una hoguera y un par de manos frías.a la velocidad a la que la temperatura de una muestra cambia la temperatura de la otra, y no a la velocidad a la que viaja el calor. El calor es una forma de radiación electromagnética, por lo que se mueve a la velocidad de la luz.la nanoescala es la eficiencia del proceso.
"Hemos demostrado, por primera vez, las mejoras dramáticas de los flujos de calor radiativo en el campo cercano extremo", dijo Pramod Reddy, profesor asociado de ingeniería mecánica y ciencia e ingeniería de materiales. "Nuestros experimentos y cálculos implican queel calor fluye varios órdenes de magnitud más rápido en estas brechas ultra pequeñas "
Reddy y Edgar Meyhofer, profesor de ingeniería mecánica e ingeniería biomédica, lideraron el trabajo. Recientemente se publicó en línea un documento sobre los hallazgos Naturaleza .
Los hallazgos tienen aplicaciones en la nanotecnología. Podrían avanzar en el almacenamiento de información de la próxima generación, como la grabación magnética asistida por calor. Podrían impulsar dispositivos que conviertan más directamente el calor en electricidad, incluido el calor generado en automóviles y naves espaciales que ahora se está desperdiciandoEsos son solo algunos usos potenciales.
El fenómeno que los investigadores estudiaron es el "calor radiativo", la radiación electromagnética, o luz, que emite toda la materia por encima del cero absoluto. Es la emisión de la energía interna de la materia por el movimiento de partículas en la materia, movimiento que solosucede por encima del cero absoluto.
Los científicos pueden explicar cómo sucede esto a distancias macroscópicas, dimensiones que podemos percibir fácilmente en el mundo que nos rodea, hasta algunas que no podemos ver. Hace más de 100 años, el físico alemán Max Planck escribió las ecuaciones que lo hacen posibleSu modelo describe con precisión la transferencia de calor a través de huecos grandes a relativamente pequeños, llegando a 10 micrómetros a temperatura ambiente. Pero cuando la brecha se hace tan apretada que casi no existe, las ecuaciones se descomponen.
A mediados del siglo pasado, el radiofísico ruso Sergei Rytov propuso una nueva teoría llamada "electrodinámica fluctuante" para describir la transferencia de calor a distancias de menos de 10 micrómetros. Desde entonces, la investigación no siempre ha resultado en apoyoevidencia.
"Hubo experimentos en la década de 1990 o principios de 2000 que intentaron probar estas ideas aún más y encontraron grandes discrepancias entre lo que la teoría predeciría y los experimentos revelados", dijo Meyhofer.
Debido a la sofisticación del laboratorio de UM, los investigadores dicen que sus hallazgos cierran el caso, y Rytov tenía razón.
"Nuestro trabajo, realizado en colaboración con los colegas el profesor Juan Carlos Cuevas y el profesor Francisco García-Vidal de la Universidad Autónoma de Madrid, resuelve una controversia importante y representa una contribución clave en el campo de la transferencia de calor", dijo Reddy.los resultados refutan el dogma actual en la transferencia de calor a nanoescala, lo que sostiene que la transferencia de calor radiativo en espacios de un solo dígito de tamaño nanométrico no puede explicarse por la teoría existente ".
La instalación que utilizaron los investigadores es una cámara de vibración ultrabaja en los Laboratorios GG Brown, el complejo de ingeniería mecánica recientemente renovado de la universidad. La cámara, una de varias, fue diseñada a medida para realizar experimentos a escala nanométrica tan precisos que podrían seguir simples pasos.molestarlos si se hicieran en otro lugar. Las habitaciones pueden soportar las vibraciones del exterior, como el tráfico y el interior, como los sistemas de calefacción y refrigeración. También limitan el ruido acústico, las variaciones de temperatura y humedad, así como la frecuencia de radio y las interferencias magnéticas.
"Nuestras instalaciones representan el verdadero estado del arte", dijo Meyhofer. "Cuando se crean brechas a nanoescala como las requeridas para nuestros experimentos de radiación de calor a nanoescala, la más mínima perturbación puede arruinar un experimento".
En la cámara, los investigadores utilizaron "sondas de microscopía térmica de barrido" a medida que les permitieron estudiar directamente qué tan rápido fluye el calor entre dos superficies de sílice, nitruro de silicio y oro. Los investigadores eligieron estos materiales porque se usan comúnmenteen nanotecnología
Para cada material, designaron una muestra que se calentaría a 305 Fahrenheit, y recubrieron la punta de la sonda con el mismo material, pero la mantuvieron a una temperatura de 98 grados más fría. Lentamente movieron la muestra y la sonda juntas,comenzando a 50 nanómetros hasta que se tocaban, y midieron la temperatura de la punta a intervalos regulares.
La causa de la rápida transferencia de calor, descubrieron los investigadores, es que en las brechas a nanoescala puede haber una superposición de la superficie de los dos lados y las ondas evanescentes, las cuales transportan calor.
"Estas ondas alcanzan solo una pequeña distancia en la brecha entre los materiales", dijo Bai Song, un estudiante graduado en ingeniería mecánica y uno de los autores principales. "Y su intensidad en el campo cercano extremo es enorme en comparación con la electromagnéticaolas a distancias más grandes. Cuando estas ondas de dos dispositivos diferentes se superponen, es cuando permiten un flujo de calor tremendo ".
El documento se titula "Transferencia de calor radiativo en el campo cercano extremo". También involucró a colaboradores de la Universidad Autónoma de Madrid, el Instituto de Tecnología de Massachusetts y el Centro Internacional de Física Donostia. El trabajo fue financiado por el Departamento de Energía de Ciencias Básicas de Energía de EE. UU., Oficina de Investigación del Ejército, Fundación Nacional de Ciencia, Ministerio de Economía y Competitividad, y otras organizaciones.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Michigan . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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