Тепло ведет себя предсказуемо: горячая чашка кофе остывает, ноутбук согревает руки, солнце нагревает Землю. Но в масштабах, в тысячи раз меньших, чем человеческий волос, эти законы перестают действовать, и ученые учатся извлекать из этого пользу.
Новое исследование, опубликованное в журнале Nature учеными из Университета Карнеги — Меллона в сотрудничестве со Стэнфордским и Пердью-университетами, показывает, что с помощью тщательно разработанных метаматериалов можно управлять теплом гораздо эффективнее, чем считалось ранее. Эта работа — одно из самых убедительных экспериментальных подтверждений того, что теплопередачу можно целенаправленно регулировать и усиливать.
В основе этого открытия лежит явление, называемое радиационным тепловым переносом в ближней зоне. Когда два объекта находятся на очень близком расстоянии друг от друга — всего в нескольких сотнях нанометров друг от друга, — тепло не просто рассеивается, как обычно. Вместо этого оно может туннелировать через зазор с помощью электромагнитных волн, значительно увеличивая поток энергии между объектами.
Ученые знали об этом эффекте уже много лет, но до сих пор не могли экспериментально доказать, что его можно усилить с помощью искусственных структур. И тут на помощь приходят метаматериалы.
«В отличие от обычных материалов, метаматериалы состоят из крошечных повторяющихся структур, которые особым образом взаимодействуют с энергией, — говорит Шэн Шэнь, профессор машиностроения в Университете Карнеги — Меллона и старший автор исследования. — Мы нанесли микроскопические золотые структуры на тонкие мембраны и расположили их вплотную друг к другу на наноуровне. Это увеличило теплопередачу почти в четыре раза по сравнению с аналогичными установками без использования метаматериалов, что намного превосходит показатели, которые предсказывает традиционная физика для больших расстояний».
Особенно убедительным это открытие делает то, как оно работает.
«Золотые структуры не просто создают дополнительные пути для прохождения тепла, но и взаимодействуют с естественными энергетическими волнами в материале, так называемыми поверхностными фононными поляритонами, создавая резонансный эффект, — говорит Цзэсяо Ван, аспирант исследовательской группы профессора Шэня и соавтор исследования. — Эти связанные колебания позволяют энергии более свободно и эффективно проходить через зазор».
«Это эффект кооперации, — сказал Шен. — Структуры и материал усиливают друг друга».
За пределами лабораторий последствия могут быть весьма значительными. По мере уменьшения размеров электронных устройств и увеличения вычислительной мощности управление тепловыделением становится одной из самых сложных инженерных задач. Возможность точно контролировать потоки тепла может привести к появлению новых стратегий охлаждения микросхем и высокопроизводительных систем.
Это также имеет значение для энергетики. Технологии, преобразующие тепло в электричество, такие как термофотоэлектрические системы, основаны на эффективном использовании теплового излучения. Совершенствование этого процесса может сделать их значительно более практичными.
В сенсорных технологиях, таких как инфракрасная спектроскопия, более мощные и контролируемые тепловые сигналы могут повысить эффективность обнаружения в самых разных областях — от мониторинга окружающей среды до обеспечения национальной безопасности.
Пока что исследования ведутся на наноуровне в тщательно контролируемых лабораторных условиях, но это важный шаг от теории к практике.