Resumen:
Investigadores de la Universidad Carnegie Mellon, la Universidad de Stanford y la Universidad Purdue han demostrado un método para regular la transferencia de calor a nanoescala: crear estructuras microscópicas de oro en películas delgadas de modo que dos superficies se enfrenten entre sí a través de un espacio muy estrecho, mejorando así significativamente la eficiencia de la transferencia de calor a través del espacio en forma de radiación electromagnética.
En el experimento, la capacidad de transferencia de calor del dispositivo metamaterial diseñado estructuralmente fue hasta aproximadamente cuatro veces mayor que la del dispositivo de control que no utilizaba el mismo patrón de estructura. La investigación, publicada en Nature, proporciona una verificación experimental del uso de estructuras artificiales para regular la transferencia de calor por radiación de campo cercano.
En escalas cotidianas, los objetos intercambian calor principalmente a través de conducción térmica, convección y radiación térmica ordinaria; pero cuando dos superficies están cerca de cientos de nanómetros, los efectos de campo cercano se vuelven importantes. En este momento, el campo electromagnético cerca de la superficie puede transferir energía al otro lado a través del acoplamiento de espacios, lo que hace que la transferencia de calor por radiación térmica exceda el límite de la radiación del cuerpo negro de campo lejano. El equipo probó espacios entre superficies de aproximadamente 250, 450 y 730 nanómetros, construyó estructuras que incluían resonadores de anillos divididos de oro sobre películas de nitruro de silicio y midió los cambios en la transferencia de calor a través de los nanoespacios.
Potenciar la sinergia de ambas estructuras. El modo de resonancia generado por el resonador de anillo partido de oro está fuertemente acoplado a los polaritones de fonones en la superficie del nitruro de silicio; Los polaritones de fonones son ondas superficiales formadas por el acoplamiento de ondas electromagnéticas y vibraciones de la red material. Pueden transferir energía a través de espacios en el campo cercano. El equipo de investigación respaldó esta explicación mediante simulaciones electromagnéticas y análisis teóricos de modo acoplado. En otras palabras, la investigación no consiste simplemente en aumentar el canal de conducción de calor, sino en hacer que las dos resonancias se mejoren entre sí diseñando cuidadosamente la estructura superficial del material.
Los investigadores creen que este método puede proporcionar nuevas ideas de refrigeración para chips y sistemas informáticos de alto rendimiento en el futuro. También puede mejorar la eficiencia de los sistemas termofotovoltaicos que utilizan radiación térmica para generar electricidad y ayudar a mejorar las capacidades de control de señales de los sensores infrarrojos. Sin embargo, los resultados actuales se obtuvieron en condiciones de laboratorio controladas y alineadas con precisión a nanoescala, y aún no se han demostrado refrigeradores, dispositivos de generación de energía o productos de detección que puedan usarse directamente en chips comerciales. El equipo de investigación dijo que en el futuro, aún deben resolverse cuestiones de ingeniería como cómo integrar esta estructura en dispositivos reales, mantener espacios extremadamente pequeños y lograr una fabricación de gran superficie.
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