Resumo:
Pesquisadores da Universidade Carnegie Mellon, da Universidade de Stanford e da Universidade de Purdue demonstraram um método para regular a transferência de calor em nanoescala: criando estruturas microscópicas de ouro em filmes finos de modo que duas superfícies fiquem voltadas uma para a outra através de uma lacuna muito estreita, aumentando assim significativamente a eficiência da transferência de calor através da lacuna na forma de radiação eletromagnética.
No experimento, a capacidade de transferência de calor do dispositivo de metamaterial projetado estruturalmente foi cerca de quatro vezes maior que a do dispositivo de controle que não usava a mesma estrutura padrão. A pesquisa, publicada na Nature, fornece verificação experimental para o uso de estruturas artificiais para regular a transferência de calor por radiação de campo próximo.
Na escala cotidiana, os objetos trocam calor principalmente por meio de condução térmica, convecção e radiação térmica comum; mas quando duas superfícies estão próximas de centenas de nanômetros, os efeitos de campo próximo tornam-se importantes. Neste momento, o campo eletromagnético próximo à superfície pode transferir energia para o outro lado através do acoplamento de lacuna, fazendo com que a transferência de calor da radiação térmica exceda o limite da radiação do corpo negro de campo distante. A equipe testou espaçamentos de superfície de cerca de 250, 450 e 730 nanômetros, construiu estruturas incluindo ressonadores de anel dividido de ouro em filmes de nitreto de silício e mediu mudanças na transferência de calor através dos nanogaps.
Aumentar a sinergia de ambas as estruturas. O modo de ressonância gerado pelo ressonador de anel dividido em ouro é fortemente acoplado aos polaritons do fônon na superfície do nitreto de silício; polaritons de fônons são ondas de superfície formadas pelo acoplamento de ondas eletromagnéticas e vibrações da rede material. Eles podem transferir energia através de lacunas no campo próximo. A equipe de pesquisa apoiou esta explicação por meio de simulações eletromagnéticas e análises teóricas de modo acoplado. Em outras palavras, a pesquisa não consiste simplesmente em aumentar o canal de condução de calor, mas em fazer com que as duas ressonâncias se aprimorem, projetando cuidadosamente a estrutura superficial do material.
Os pesquisadores acreditam que este método pode fornecer novas ideias de resfriamento para chips e sistemas de computação de alto desempenho no futuro. Também pode melhorar a eficiência dos sistemas termofotovoltaicos que utilizam radiação térmica para gerar eletricidade e ajudar a melhorar as capacidades de controle de sinal dos sensores infravermelhos. No entanto, os resultados atuais foram obtidos em nanoescala, condições de laboratório precisamente alinhadas e controladas, e ainda não foram demonstrados refrigeradores, dispositivos de geração de energia ou produtos de detecção que possam ser usados diretamente em chips comerciais. A equipe de pesquisa disse que, no futuro, questões de engenharia, como integrar essa estrutura em dispositivos reais, manter espaçamentos extremamente pequenos e conseguir fabricação em grandes áreas, ainda precisam ser resolvidas.
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