Команда вчених зі США продемонструвала, що штучно створені метаматеріали можуть у чотири рази посилити перенесення тепла через надзвичайно вузький вакуумний проміжок. Робота, описана в журналі Nature і представлена інженерами Карнегі-Меллон, Стенфорда та Пердью, показує, що теплові потоки на наномасштабі можна не просто контролювати, а цілеспрямовано «проєктувати». Про це повідомляє видання SciTechDaily.
Як тепло проходить крізь нанометровий проміжок
У звичних для нас умовах об’єкти обмінюються теплом через теплопровідність, конвекцію та далеке (far-field) теплове випромінювання. Проте якщо дві поверхні наблизити на відстань у кілька сотень нанометрів, у гру вступає інший механізм —
Цей ефект вивчали вже багато років, але новий експеримент уперше переконливо показав, що його можна суттєво посилити завдяки спеціально спроєктованим мікроструктурам. Дослідники нанесли мікроскопічні візерунки з золота на тонкі мембрани та розмістили дві такі поверхні одна навпроти одної, розділивши їх нанометровою щілиною.
Порівнюючи ці зразки з аналогічними, але без метаматеріальних структур, вчені зареєстрували до чотирикратного збільшення ближньопольового теплоперенесення. Це значно перевищує очікування, засновані на традиційній фізиці теплового випромінювання для більших відстаней.
Резонанс поверхневих хвиль як підсилювач тепла
Автори роботи наголошують, що посилення не зводиться до простого «додавання нових шляхів» для течії тепла. Ключову роль відіграють поверхневі фонон-поляритони — електромагнітні хвилі, які пов’язані з коливаннями атомів біля поверхні деяких матеріалів.
Мікроструктури із золота діють як метаматеріал: їхній періодичний візерунок змінює те, як енергія взаємодіє з поверхневими хвилями. Коли ці структури налаштовані відповідним чином, вони входять у резонанс з фонон-поляритонами. Унаслідок такого резонансу енергія «перестрибує» через нанощілину набагато вільніше й ефективніше.
Дослідники описують цей ефект як «кооперативний»: сам матеріал і нанесені на нього структури підсилюють дію одне одного, створюючи значно потужніший потік тепла через вакуум, ніж без спеціального візерунка.
Навіщо керувати теплом з такою точністю
Можливість точно налаштовувати теплоперенесення на наномасштабі особливо актуальна для сучасної електроніки. Мікросхеми стають дедалі меншими й продуктивнішими, а відведення тепла від щільно розміщених компонентів — усе складнішим завданням. Якщо вдасться інтегрувати подібні структури в реальні пристрої, вони можуть забезпечити нові схеми охолодження мікрочипів та інших високопродуктивних систем.
Ті самі фізичні принципи потенційно важливі й для технологій перетворення тепла на електрику. Термофотовольтаїчні системи, які генерують електричну енергію з випромінювання розігрітих об’єктів, могли б виграти від більш контрольованого й інтенсивного теплового випромінювання. Посилений тепловий потік на малих відстанях теоретично здатен підвищити ефективність таких пристроїв.
Також вигоду можуть отримати інфрачервоні сенсори, яким потрібні сильні або дуже точно керовані теплові сигнали. Це стосується застосувань від моніторингу довкілля до систем безпеки.
Поки що — лише лабораторний ефект
Наразі результати стосуються нанометрових структур, що працюють за ретельно контрольованих лабораторних умов. Йдеться не про готову технологію для промисловості, а про фундаментальну демонстрацію того, що теплові потоки можна посилювати й налаштовувати за допомогою метаматеріалів.
Дослідники припускають, що в майбутньому, якщо тепло вдасться «проєктувати» з такою ж точністю, як електричні струми чи світлові хвилі, це може привести до появи нових класів пристроїв. Вони будуть створені не лише для того, щоб витримувати високу температуру, а й для того, щоб цілеспрямовано використовувати тепло як керований ресурс.