Wanneer warmte zich verplaatst tussen twee objecten die elkaar niet raken, het stroomt anders op de kleinste schalen - afstanden in de orde van de diameter van DNA, of 1/50, 000 van een mensenhaar.

Hoewel onderzoekers dit al tientallen jaren weten, ze hebben het proces niet begrepen. Warmtestroom moet vaak worden voorkomen of benut en het ontbreken van een nauwkeurige manier om dit te voorspellen, vormt een knelpunt in de ontwikkeling van nanotechnologie.

Nutsvoorzieningen, in een uniek laboratorium met ultralage trillingen aan de Universiteit van Michigan, ingenieurs hebben gemeten hoe warmte van het ene oppervlak naar het andere wordt uitgestraald in een vacuüm op afstanden tot 2 nanometer.

Terwijl de thermische energie nog steeds van de warmere naar de koudere plaats stroomt, de onderzoekers ontdekten dat het dit doet 10, 000 keer sneller dan op de schaal van, zeggen, een vreugdevuur en een paar kille handen. "Sneller" verwijst hier naar de snelheid waarmee de temperatuur van het ene monster de temperatuur van het andere verandert - en niet de snelheid waarmee de warmte zelf reist. Warmte is een vorm van elektromagnetische straling, dus het beweegt met de snelheid van het licht. Wat op nanoschaal anders is, is de efficiëntie van het proces.

"We hebben laten zien, Voor de eerste keer, de dramatische verbeteringen van stralingswarmtefluxen in het extreme nabije veld, " zei Pramod Reddy, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en materiaalkunde en techniek. "Onze experimenten en berekeningen impliceren dat warmte verschillende orden van grootte sneller stroomt in deze ultrakleine openingen."

Reddy en Edgar Meyhofer, hoogleraar werktuigbouwkunde en biomedische technologie, leidde het werk. Een paper over de bevindingen is onlangs online gepubliceerd in Natuur .

De bevindingen hebben toepassingen in nanotechnologie. Ze zouden de volgende generatie informatieopslag kunnen bevorderen, zoals warmteondersteunde magnetische opname. Ze zouden apparaten naar voren kunnen duwen die warmte directer omzetten in elektriciteit, inclusief warmte die wordt gegenereerd in auto's en ruimtevaartuigen die nu wordt verspild. Dat zijn slechts enkele mogelijke toepassingen.

Het fenomeen dat de onderzoekers bestudeerden is "stralingswarmte" - de elektromagnetische straling, of licht, dat alle materie boven het absolute nulpunt uitzendt. Het is de emissie van de interne energie van materie door beweging van deeltjes in materie - beweging die alleen plaatsvindt boven het absolute nulpunt.

Wetenschappers kunnen verklaren hoe dit gebeurt op macroscopische afstanden, dimensies die we gemakkelijk kunnen waarnemen in de wereld om ons heen, tot sommigen die we niet kunnen zien. Meer dan 100 jaar geleden, de Duitse natuurkundige Max Planck schreef de vergelijkingen die dit mogelijk maken. Zijn model beschrijft nauwkeurig de warmteoverdracht over grote tot relatief kleine holtes, bij kamertemperatuur tot 10 micrometer bereiken. Maar als de kloof zo klein wordt dat het er bijna niet is, de vergelijkingen vallen uiteen.

In het midden van de vorige eeuw, de Russische radiofysicus Sergei Rytov stelde een nieuwe theorie voor met de naam "fluctuerende elektrodynamica" om warmteoverdracht te beschrijven op afstanden van minder dan 10 micrometer. Vanaf dat moment, onderzoek heeft niet altijd geleid tot ondersteunend bewijs.

"Er waren experimenten in de jaren 1990 of vroege jaren 2000 die probeerden deze ideeën verder te testen en ze vonden grote discrepanties tussen wat de theorie zou voorspellen en wat experimenten onthulden, ' zei Meyhofer.

Vanwege de verfijning van het U-M-lab, de onderzoekers zeggen dat hun bevindingen de zaak sluiten, en Rytov had gelijk.

"Ons werk, uitgevoerd in samenwerking met collega's Professor Juan Carlos Cuevas en Professor Francisco García-Vidal aan de Universidad Autónoma de Madrid, lost een belangrijke controverse op en vertegenwoordigt een belangrijke bijdrage op het gebied van warmteoverdracht, " zei Reddy. "Deze resultaten weerleggen het huidige dogma in warmteoverdracht op nanoschaal, die stelt dat stralingswarmteoverdracht in openingen van enkele nanometers niet kan worden verklaard door de bestaande theorie."

De faciliteit die de onderzoekers gebruikten, is een ultra-lage trillingskamer in de G.G. Brown Laboratories, het onlangs gerenoveerde werktuigbouwkundige complex van de universiteit. De kamer - een van de vele - was speciaal ontworpen voor het uitvoeren van experimenten op nanoschaal die zo nauwkeurig zijn dat alleen voetstappen ze kunnen verstoren als ze ergens anders worden gedaan. De kamers zijn bestand tegen trillingen van buitenaf, zoals verkeer, en binnen, zoals verwarmings- en koelsystemen. Ze beperken ook akoestische ruis, variaties in temperatuur en vochtigheid, evenals radiofrequentie en magnetische interferentie.

"Onze faciliteit vertegenwoordigt de ware stand van de techniek, " zei Meyhofer. "Bij het creëren van gaten op nanoschaal, zoals die nodig zijn voor onze experimenten met warmtestraling op nanoschaal, de geringste verstoring kan een experiment verpesten."

In de kamer, de onderzoekers gebruikten op maat gemaakte "scanning thermische microscopie-sondes" waarmee ze direct konden bestuderen hoe snel warmte stroomt tussen twee oppervlakken van silica, siliciumnitride en goud. The researchers chose these materials because they're commonly used in nanotechnology.

For each material, they designated one sample that would be heated to 305 Fahrenheit, and they coated the tip of the probe with the same material, but kept it at a cooler 98 degrees. They slowly moved the sample and the probe together, beginning at 50 nanometers until they were touching, and they measured the temperature of the tip at regular intervals.

The cause of the rapid heat transfer, ontdekten de onderzoekers, is that in nanoscale gaps there can be an overlap of the two sides' surface and evanescent waves, both of which carry heat.

"These waves reach only a small distance into the gap between materials, " said Bai Song, a graduate student in mechanical engineering and one of the lead authors. "And their intensity at the extreme near-field is enormous compared to the electromagnetic waves at larger distances. When these waves from two different devices overlap, that's when they allow tremendous heat flux."