Hasta 100 veces más calor de lo predicho por la teoría de la radiación estándar puede fluir entre dos objetos a nanoescala, incluso a distancias mayores que la nanoescala, informaron investigadores de la Universidad de Michigan y el Colegio de William y Mary en la revista Naturaleza .
Los nuevos resultados podrían tener implicaciones para mejores células solares, materiales que se comportan como válvulas unidireccionales para el flujo de calor y tal vez incluso una plataforma informática basada en el calor.
Un misterio en el laboratorio
La teoría de la radiación de Max Planck, propuesta en 1900, preparó el escenario para la mecánica cuántica y se ha mantenido bien durante el siglo intermedio. Pero hace cinco años, una microestructura en el laboratorio de Pramod Reddy, profesor de ingeniería mecánica de la UM, estaba permitiendouna asombrosa cantidad de flujo de calor entre objetos que deberían haber estado aislados unos de otros.
"No pudimos averiguar la causa durante mucho tiempo. Parecía que nuestros cálculos basados en la teoría estándar de Planck no podían explicar lo que observamos", dijo el primer autor del estudio, Dakotah Thompson, quien en ese momentoera un nuevo estudiante graduado en el laboratorio de Reddy.
"La pregunta de Pramod y de mí a los estudiantes fue: '¿Estás seguro de que calculó esto bien?'", Dijo Edgar Meyhofer, profesor de ingeniería mecánica en la UM y autor principal.
Pero lo hicieron. Se convirtió en la misión de Thompson averiguar qué estaba pasando.
La velocidad de flujo de calor entre dos objetos tiene un límite que depende de detalles como el tamaño de los objetos, las superficies que están enfrentadas entre sí, sus temperaturas y la distancia entre ellos. El calor viaja entre los objetos como ondas electromagnéticas, comoradiación infrarroja y luz visible.
Anteriormente, Reddy y Meyhofer habían dirigido un estudio que mostraba que el calor puede viajar 10,000 veces más rápido de lo esperado entre objetos separados por espacios a nanoescala, más pequeños que la longitud de onda dominante de la radiación, pero en separaciones más grandes, ese mecanismo no seríaen juego.
En placas muy finas, el calor dispara los bordes
Bajo la guía de Meyhofer y Reddy, Thompson ideó una serie de experimentos para explorar las observaciones inesperadas. Desde el principio, sospecharon que tenía algo que ver con el grosor de los objetos.
Para ilustrar el concepto, Reddy sacó dos tarjetas de su billetera, colocando una en la palma de la mano y la otra en los dedos con un espacio entre ellas. Thompson pasó muchos meses en la instalación de nanofabricación de Lurie haciendo pares de placas semiconductoras de forma similar.para las tarjetas, pero mil veces más pequeñas en longitud y anchura. El grosor de las placas rectangulares oscilaba entre 10.000 nanómetros 0.01 milímetros y 270 nanómetros. Suspendió estas vigas muy estrechas aproximadamente cien veces más delgadas que el cabello humano.
En un objeto del tamaño y la forma de una tarjeta de crédito, el calor normalmente se irradia desde cada uno de los seis lados en proporción al área de superficie. Pero el equipo descubrió que cuando las estructuras eran extremadamente delgadas, en la más delgada, aproximadamente la mitadla longitud de onda de la luz verde: esos bordes se liberaron y absorbieron mucho más calor de lo previsto.
Con resultados experimentales en la mano, Thompson trabajó estrechamente con Linxiao Zhu, un investigador postdoctoral en el laboratorio de Meyhofer y Reddy. Zhu construyó un modelo matemático detallado de las dos placas delgadas y la física que gobierna la transferencia de calor entre estas estructuras.
Después de pasar muchas horas ejecutando el modelo en una supercomputadora, los resultados de Zhu confirmaron que la mejora de 100 veces en el flujo de calor se produce por la forma en que las ondas se mueven en las placas muy delgadas. Dado que las ondas corren paralelas a las dimensiones más largas de la placa, elel calor dispara los bordes. En la placa idéntica que absorbe la energía, el mismo concepto estaba en acción.
"Cuando modelamos cómo las placas emiten y absorben radiación térmica, es como si sus bordes fueran mucho más gruesos", dijo Zhu.
Lo que podrían permitir los hallazgos
Si bien el efecto es más fuerte a microescala y más pequeño, el campo emergente de la nanotecnología podría significar que veremos esta nueva idea utilizada en dispositivos.
"Podría controlar potencialmente el calor de nuevas maneras porque hemos identificado el mecanismo de transferencia de calor", dijo Reddy.
Los ejemplos propuestos por el equipo incluyen controlar el flujo de calor de una manera similar a cómo la electrónica maneja los electrones, haciendo transistores de calor para computadoras y diodos de próxima generación como válvulas unidireccionales. Por ejemplo, futuros materiales de construcción podrían dejar que el calordurante las noches frescas de verano, pero manténgalo adentro durante el invierno. Las células solares podrían aprovechar la porción del espectro del sol que no se convierte en electricidad para otros fines. Una instalación en el techo podría enviar esta energía perdida para calentar agua, por ejemplo.
Reddy advierte que un dispositivo informático basado en el calor sería más lento y más grande que una versión electrónica, pero cree que podría ser preferible en ciertas situaciones, como en entornos de alta temperatura donde la electrónica convencional está dañada.
El documento que describe esta investigación se titula "Mejora de cien veces en la transferencia de calor radiativo de campo lejano sobre el límite del cuerpo negro". El trabajo fue apoyado por la Oficina de Investigación Naval, la Oficina de Investigación del Ejército y el Departamento de Energía. Reddy esTambién es profesor de ciencia e ingeniería de materiales. Meyhofer es también profesor de ingeniería biomédica.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Michigan . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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