Een baanbrekende studie uitgevoerd door onderzoekers van de National University of Singapore (NUS) heeft een methode onthuld om kwantummechanische golftheorieën te gebruiken om warmte in een vaste positie te "vastzetten".

Gewoonlijk, een warmtebron diffundeert door een geleidend materiaal totdat het verdwijnt, maar universitair hoofddocent Cheng-Wei Qiu van de afdeling Electrical and Computer Engineering aan de NUS-faculteit Ingenieurswetenschappen en zijn team gebruikten het principe van anti-pariteits-tijd (APT) symmetrie om aan te tonen dat het mogelijk is om de warmte te beperken tot een klein gebied van een metalen ring zonder dat deze zich in de tijd uitbreidt.

In de toekomst, dit nieuw aangetoonde fenomeen zou kunnen worden gebruikt om de warmtediffusie op geavanceerde manieren te regelen en de efficiëntie te optimaliseren in systemen die koeling nodig hebben. De resultaten van het onderzoek zijn op 12 april 2019 gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .

De verspreiding van warmte bevriezen

"Stel je een inktdruppel voor in een stromende stroom. Na een korte tijd zou je de inkt zien verspreiden en in de richting van de stroom stromen. Stel je nu voor dat die inktdruppel even groot en in dezelfde positie blijft als het water Dat is wat we hebben bereikt met de verspreiding van warmte in ons experiment, " legde Assoc Prof Qiu uit.

De experimentele opstelling van deze studie is twee tegengesteld roterende metalen ringen, samengeklemd met een dun laagje vet. De roterende beweging van de ringen werkt als de stroom van de stroom in het scenario. Wanneer warmte wordt geïnjecteerd op een punt in het systeem, de thermische energie kan op zijn plaats blijven omdat één roterende ring is gekoppeld aan de tegengesteld draaiende ring door de principes van APT-symmetrie.

De voorwaarden van dit experiment zijn vrij nauwkeurig om het succesvol te laten zijn. "Van de kwantummechanische theorie, je kunt de snelheid berekenen die nodig is voor de ringen. Te langzaam of te snel, en je verbreekt de toestand, " zei Assoc Prof Qiu. Wanneer de voorwaarden worden verbroken, het systeem werkt conventioneel, en de warmte wordt naar voren gedragen als de ring roteert.

Tegen de trend in

Het toepassen van de principes van APT-symmetrie op systemen waarbij warmte betrokken is, wijkt volledig af van de huidige denkrichting op dit gebied. "Het is drastisch anders dan de momenteel populaire onderzoeksonderwerpen. Op dit gebied, veel groepen werken aan parity-time (PT) symmetrie-opstellingen, en bijna van hen kijken naar golfmechanica. Dit is de eerste keer dat iemand uit het domein van de golven is gestapt, en aangetoond dat APT-symmetrie toepasbaar is op op diffusie gebaseerde systemen zoals warmte, " verklaarde Assoc Prof Qiu.

Deze demonstratie van een vast warmtegebied in bewegend metaal lijkt contra-intuïtief, zoals Assoc Prof Qiu toegeeft, "Vóór deze studie, mensen dachten echt dat dit een verboden gebied was, maar we kunnen het allemaal uitleggen. Het schendt geen enkele natuurkundige wet." In werkelijkheid, de reden waarom Assoc Prof Qiu en zijn team de hitte konden beheersen was door een extra mate van vrijheid te introduceren in hun ingenieuze experimentele opstelling - de rotatie van de ringen

"Om APT-symmetrie significant te laten worden in een systeem, er moet een element van verlies en winst zijn binnen de opstelling - en ze moeten in evenwicht zijn. In een traditioneel thermisch diffusiesysteem, APT-symmetrie is niet consequent omdat er geen vrijheidsgraad voor winst of verlies is. Vandaar, de mechanische rotatie is hier de belangrijkste speler, " hij legde uit.

Mogelijke toepassingen en volgende stappen

Veel moderne technologieën vereisen een efficiënte afvoer van warmte. Mechanische instellingen zoals motoren, evenals computationele en elektrische componenten moeten effectief worden gekoeld. Momenteel, de meeste technologieën worden gekoeld met een constante vloeistofstroom om de warmte door convectie af te voeren.

"Dit experiment laat zien dat we voorzichtiger moeten zijn bij het bepalen van de stroomsnelheid en het ontwerp van deze systemen, " Assoc Prof Qiu verklaarde. Terwijl zijn experimentele opstelling tegengesteld draaiende metalen ringen bevatte, hetzelfde principe zou kunnen worden toegepast op andere opstellingen die in beweging zijn. "De perceptie is dat de circulatie de warmte eenvoudig wegneemt, maar het is niet altijd zo eenvoudig, " hij voegde toe.

Volgende, het team wil de omvang van hun experiment vergroten. "Op dit moment is onze opstelling in het bereik van centimeters, dus we willen het opschalen naar de grootte van echte motoren of tandwieloverbrengingen. Tandwielsystemen hebben vaak vergelijkbare tegengesteld draaiende mechanismen die warmte genereren, dus we willen theorie toepassen om deze warmte efficiënter af te voeren, "Asoc Prof Qiu zei.