Geleiding en thermische straling zijn twee manieren waarop warmte van het ene object naar het andere wordt overgedragen:Geleiding is het proces waarbij warmte tussen objecten stroomt die in fysiek contact staan, zoals een pot thee op een heet fornuis, terwijl thermische straling de warmtestroom over grote afstanden beschrijft, zoals warmte uitgestraald door de zon.

Deze twee fundamentele warmteoverdrachtsprocessen verklaren hoe energie zich over microscopische en macroscopische afstanden verplaatst. Maar het was voor onderzoekers moeilijk om vast te stellen hoe warmte door tussenliggende gaten stroomt.

Nu onderzoekers van MIT, de Universiteit van Oklahoma, en Rutgers University hebben een model ontwikkeld dat verklaart hoe warmte stroomt tussen objecten die van elkaar worden gescheiden door gaten van minder dan een nanometer. Het team heeft een uniform raamwerk ontwikkeld dat warmtetransport berekent bij eindige gaten, en heeft aangetoond dat warmtestroom op sub-nanometerafstanden niet plaatsvindt via straling of geleiding, maar door middel van 'phonon tunneling'.

Fononen vertegenwoordigen energie-eenheden die worden geproduceerd door trillende atomen in een kristalrooster. Bijvoorbeeld, een eenkristal keukenzout bevat atomen natrium en chloride, gerangschikt in een roosterpatroon. Samen, de atomen trillen, mechanische golven creëren die warmte over het rooster kunnen transporteren.

Normaal gesproken zijn deze golven of fononen, kunnen alleen warmte naar binnen dragen, en niet tussen materialen. Echter, het nieuwe onderzoek toont aan dat fononen kunnen reiken over een opening zo klein als een nanometer, "tunneling" van het ene materiaal naar het andere om het warmtetransport te verbeteren.

De onderzoekers geloven dat fonon-tunneling de fysieke mechanica van energietransport op deze schaal verklaart, die niet duidelijk kunnen worden toegeschreven aan geleiding of straling.

"Dit is precies in het regime waar de taal van geleiding en straling vervaagd is, " zegt Vazrik Chiloyan, een MIT-afgestudeerde student werktuigbouwkunde. "We proberen een duidelijk beeld te krijgen van wat de natuurkunde is in dit regime. Nu hebben we informatie samengebracht om aan te tonen dat tunnelen is, in feite, wat er aan de hand is voor het warmteoverdrachtsbeeld."

Chiloyan en Gang Chen, de Carl Richard Soderberg Professor of Power Engineering en hoofd van MIT's Department of Mechanical Engineering, publiceren hun resultaten deze week in Natuurcommunicatie .

Het warmtebeeld wissen

In de afgelopen decennia is onderzoekers hebben geprobeerd warmtetransport over steeds kleinere afstanden te definiëren. meerdere groepen, inclusief Chen's, hebben experimenteel de warmtestroom gemeten door thermische straling over gaten zo klein als tientallen nanometers. Echter, terwijl experimenten naar nog kleinere afstanden gaan, onderzoekers hebben de geldigheid van de huidige theorieën in twijfel getrokken:bestaande modellen zijn grotendeels gebaseerd op theorieën voor thermische straling die volgens Chiloyan "het atomaire detail hebben uitgesmeerd, " de stroom van warmte van atoom naar atoom te simplificeren.

In tegenstelling tot, er bestaat een theorie voor warmtegeleiding - bekend als de functies van Green - die de warmtestroom op atomair niveau beschrijft voor materialen die in contact komen. De theorie stelt onderzoekers in staat om de frequentie te berekenen van trillingen die over het grensvlak tussen twee materialen kunnen reizen.

"Maar met de functies van Green, atoom-tot-atoom-interacties hebben de neiging om na een paar buren af ​​te nemen. ... Je zou kunstmatig nul warmteoverdracht voorspellen na een paar atoomscheidingen, " zegt Chiloyan. "Om de warmteoverdracht over de opening daadwerkelijk te voorspellen, je moet lange afstand, elektromagnetische krachten."

Typisch, elektromagnetische krachten kunnen worden beschreven met de vergelijkingen van Maxwell - een set van vier fundamentele vergelijkingen die het gedrag van elektriciteit en magnetisme schetsen. Om warmteoverdracht op microscopische schaal uit te leggen, echter, Chiloyan en Chen moesten de minder bekende vorm opgraven die bekend staat als de microscopische vergelijkingen van Maxwell.

"De meeste mensen weten waarschijnlijk niet dat er een microscopische Maxwell-vergelijking bestaat, en we moesten naar dat niveau om het atoombeeld te overbruggen, "zegt Chen.

Overbruggen van de kloof

Het team ontwikkelde een model van warmtetransport, gebaseerd op zowel de functies van Green als de microscopische Maxwell-vergelijkingen. De onderzoekers gebruikten het model om de warmtestroom tussen twee roosters van natriumchloride te voorspellen, of tafelzout, gescheiden door een nanometer brede opening.

Met het model, Chiloyan en Chen waren in staat om de elektromagnetische velden te berekenen en samen te vatten die door individuele atomen worden uitgezonden, gebaseerd op hun posities en krachten binnen elk rooster. Terwijl atomaire trillingen, of fononen, kan doorgaans geen warmte transporteren over afstanden groter dan een paar atomen, het team ontdekte dat de opgetelde elektromagnetische kracht van de atomen een "brug" kan creëren voor fononen om over te steken.

Toen ze de warmtestroom tussen twee natriumchlorideroosters modelleerden, de onderzoekers ontdekten dat warmte van het ene rooster naar het andere stroomde via fonon-tunneling, bij openingen van één nanometer en kleiner.

Bij sub-nanometer hiaten "is een regime waar we geen goede taal hebben, " zegt Chen. "Nu hebben we een raamwerk ontwikkeld om deze fundamentele overgang uit te leggen, die kloof overbruggen."