En un nuevo estudio publicado recientemente en Nanotecnología de la naturaleza , investigadores de Columbia Engineering, Cornell y Stanford han demostrado que la transferencia de calor se puede hacer 100 veces más fuerte de lo que se había previsto, simplemente acercando dos objetos extremadamente, a distancias de nanoescala, sin tocarlos. Dirigidos por Michal Lipson de Columbia Engineeringy Shanhui Fan de Stanford Engineering, el equipo utilizó controladores de desplazamiento micromecánicos de ultra alta precisión hechos a medida para lograr la transferencia de calor utilizando luz de la mayor magnitud reportada hasta la fecha entre dos objetos paralelos.
"En separaciones tan pequeñas como 40 nanómetros, logramos una mejora de casi 100 veces la transferencia de calor en comparación con las predicciones clásicas", dice Lipson, profesor de ingeniería eléctrica de Eugene Higgins y profesor de física aplicada ". Esto es muy emocionante ya quesignifica que la luz ahora podría convertirse en un canal dominante de transferencia de calor entre los objetos que generalmente intercambian calor principalmente a través de la conducción o la convección. Y, mientras que otros equipos han demostrado la transferencia de calor utilizando luz a nanoescala antes, somos los primeros en alcanzar actuaciones que podrían usarsepara aplicaciones energéticas, como la conversión directa de calor a electricidad mediante celdas fotovoltaicas ".
Todos los objetos en nuestro entorno intercambian calor con su entorno utilizando luz. Esto incluye la luz que nos llega del sol, el color rojo brillante del elemento calefactor dentro de nuestros hornos tostadores o las cámaras de "visión nocturna" que permiten la grabación de imágenesincluso en la oscuridad total. Pero el intercambio de calor con luz suele ser muy débil en comparación con lo que se puede lograr por conducción es decir, simplemente poniendo dos objetos en contacto entre sí o por convección es decir, utilizando aire caliente. Transferencia de calor por radiacióna distancias de nanoescala, aunque se teorizó, ha sido especialmente difícil de lograr debido a la dificultad de mantener grandes gradientes térmicos sobre distancias a escala nanométrica mientras se evitan otros mecanismos de transferencia de calor como la conducción.
El equipo de Lipson pudo acercar objetos a diferentes temperaturas muy cerca entre sí, a distancias inferiores a 100 nanómetros, o 1/1000 del diámetro de un mechón de cabello humano. Pudieron demostrar el calor radiativo de campo cercanotransferencia entre nanohaces paralelos de SiC carburo de silicio en el régimen de sub-longitud de onda profunda. Utilizaron un sistema microelectromecánico de alta precisión MEMS para controlar la distancia entre los haces y explotaron la estabilidad mecánica de los nanohaces bajo un alto esfuerzo de tensión para minimizarefectos de pandeo térmico, manteniendo así el control de la separación a escala nanométrica incluso a grandes gradientes térmicos.
Utilizando este enfoque, el equipo pudo llevar dos objetos paralelos a diferentes temperaturas a distancias tan pequeñas como 42 nm sin tocarlos. En este caso, observaron que la transferencia de calor entre los objetos era casi 100 veces más fuerte de lo que se predijosegún las leyes convencionales de radiación térmica es decir, "radiación de cuerpo negro". Fueron capaces de repetir este experimento para diferencias de temperatura de hasta 260 ° C 500 ° F entre los dos objetos. Tal diferencia de alta temperatura es especialmente importante para las aplicaciones de conversión de energía ya que, en estoscasos, la eficiencia de conversión es siempre proporcional a la diferencia térmica entre los objetos fríos y calientes involucrados.
"Una implicación importante de nuestro trabajo es que la radiación térmica ahora puede usarse como un mecanismo dominante de transferencia de calor entre objetos a diferentes temperaturas", explica Raphael St-Gelais, autor principal del estudio y becario postdoctoral que trabaja con Lipson en Columbia Engineering."Esto significa que podemos controlar el flujo de calor con muchas de las mismas técnicas que tenemos para manipular la luz. Esto es un gran problema ya que hay muchas cosas interesantes que podemos hacer con la luz, como convertirla en electricidad mediante celdas fotovoltaicas"
St-Gelais y Linxiao Zhu, coautor del estudio y candidato a doctorado en el grupo de Fan en Stanford, observan que el enfoque del equipo se puede ampliar a un área efectiva más grande simplemente colocando varios nanohaces, además deuna célula fotovoltaica, por ejemplo, y controlando individualmente su desplazamiento fuera del plano utilizando actuadores MEMS. Los investigadores ahora están buscando aplicar su mismo enfoque para el control de desplazamiento de ultra alta precisión, esta vez con una célula fotovoltaica real paragenerar electricidad directamente del calor.
"Este canal de transferencia de calor muy fuerte y sin contacto podría usarse para controlar la temperatura de delicados dispositivos nano que no se pueden tocar, o para convertir de manera muy eficiente el calor en electricidad irradiando grandes cantidades de calor de un objeto caliente a unLa célula fotovoltaica en su proximidad extrema ", agrega Lipson." Y si podemos generar una gran cantidad de calor en forma de luz de un objeto caliente a una célula fotovoltaica, podríamos crear módulos compactos para la conversión directa de calor a energía eléctrica.. Estos módulos podrían usarse dentro de los automóviles, por ejemplo, para convertir el calor desperdiciado del motor de combustión en energía eléctrica útil. También podríamos usarlos en nuestros hogares para generar electricidad a partir de fuentes de energía alternativas como los biocombustibles y la energía solar almacenada ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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