In een nieuwe studie die onlangs is gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie , onderzoekers van Columbia Engineering, Cornell, en Stanford hebben aangetoond dat warmteoverdracht 100 keer sterker kan worden gemaakt dan voorspeld, simpelweg door twee objecten extreem dichtbij te brengen - op nanoschaalafstanden - zonder elkaar aan te raken. Onder leiding van Michal Lipson van Columbia Engineering en Shanhui Fan van Stanford Engineering, het team gebruikte op maat gemaakte ultrahoge precisie micromechanische verplaatsingscontrollers om warmteoverdracht te bereiken met behulp van licht met de grootste omvang die tot nu toe is gemeld tussen twee parallelle objecten.

"Bij scheidingen zo klein als 40 nanometer, we bereikten een bijna 100-voudige verbetering van de warmteoverdracht in vergelijking met klassieke voorspellingen, " zegt Lipson, Eugene Higgins Hoogleraar Elektrotechniek en hoogleraar toegepaste natuurkunde. "Dit is erg opwindend omdat het betekent dat licht nu een dominant warmteoverdrachtskanaal kan worden tussen objecten die meestal warmte uitwisselen, voornamelijk door geleiding of convectie. En, terwijl andere teams eerder warmteoverdracht hebben aangetoond met behulp van licht op nanoschaal, we zijn de eersten die prestaties bereiken die kunnen worden gebruikt voor energietoepassingen, zoals het direct omzetten van warmte in elektriciteit met behulp van fotovoltaïsche cellen."

Alle objecten in onze omgeving wisselen met licht warmte uit met hun omgeving. Dit omvat het licht dat van de zon op ons afkomt, de gloeiende rode kleur van het verwarmingselement in onze broodroosterovens, of de "nachtzicht"-camera's die zelfs in volledige duisternis beeldopname mogelijk maken. Maar warmte-uitwisseling met behulp van licht is meestal erg zwak in vergelijking met wat kan worden bereikt door geleiding (d.w.z. door simpelweg twee objecten met elkaar in contact te brengen) of door convectie (d.w.z. met behulp van hete lucht). Stralingswarmteoverdracht op nanoschaalafstanden, terwijl getheoretiseerd, was bijzonder uitdagend om te bereiken vanwege de moeilijkheid om grote thermische gradiënten over afstanden op nanometerschaal te handhaven terwijl andere warmteoverdrachtsmechanismen zoals geleiding worden vermeden.

Het team van Lipson was in staat om objecten met verschillende temperaturen heel dicht bij elkaar te brengen - op afstanden kleiner dan 100 nanometer, of 1/1000ste van de diameter van een streng mensenhaar. Ze waren in staat om stralingswarmteoverdracht in het nabije veld aan te tonen tussen parallelle SiC (siliciumcarbide) nanobundels in het diepe subgolflengteregime. Ze gebruikten een uiterst nauwkeurig micro-elektromechanisch systeem (MEMS) om de afstand tussen de bundels te regelen en maakten gebruik van de mechanische stabiliteit van nanobundels onder hoge trekspanning om thermische knikeffecten te minimaliseren. dus de controle over de scheiding op nanometerschaal behouden, zelfs bij grote thermische gradiënten.

Met behulp van deze aanpak, het team was in staat om twee parallelle objecten bij verschillende temperaturen op afstanden van slechts 42 nm te brengen zonder elkaar aan te raken. In dit geval merkten ze op dat de warmteoverdracht tussen de objecten bijna 100 keer sterker was dan wat wordt voorspeld door conventionele thermische stralingswetten (d.w.z. "zwartlichaamstraling"). Ze waren in staat om dit experiment te herhalen voor temperatuurverschillen tot wel 260oC (500oF) tussen de twee objecten. Een dergelijk hoog temperatuurverschil is vooral belangrijk voor toepassingen voor energieconversie, aangezien in deze gevallen, het conversierendement is altijd evenredig met het thermische verschil tussen de betrokken warme en koude objecten.

"Een belangrijke implicatie van ons werk is dat thermische straling nu kan worden gebruikt als een dominant mechanisme voor warmteoverdracht tussen objecten bij verschillende temperaturen, " legt Raphael St-Gelais uit, hoofdauteur van de studie en postdoctoraal onderzoeker die samenwerkt met Lipson bij Columbia Engineering. "Dit betekent dat we de warmtestroom kunnen regelen met veel van dezelfde technieken die we hebben voor het manipuleren van licht. Dit is een groot probleem, want er zijn veel interessante dingen die we met licht kunnen doen, zoals het omzetten in elektriciteit met behulp van fotovoltaïsche cellen."

St-Gelais en Linxiao Zhu, die co-auteur was van de studie en een PhD-kandidaat is in Fan's groep aan Stanford, merk op dat de aanpak van het team kan worden opgeschaald naar een groter effectief gebied door simpelweg meerdere nanostralen te rangschikken - bovenop een fotovoltaïsche cel, bijvoorbeeld - en door hun verplaatsing buiten het vlak individueel te regelen met behulp van MEMS-actuators. De onderzoekers kijken nu naar het toepassen van dezelfde benadering voor ultra-precieze verplaatsingsregeling, dit keer met een echte fotovoltaïsche cel om rechtstreeks elektriciteit op te wekken uit warmte.

"Deze zeer sterke, contactloos, warmteoverdrachtskanaal kan worden gebruikt voor het regelen van de temperatuur van delicate nano-apparaten die niet kunnen worden aangeraakt, of voor het zeer efficiënt omzetten van warmte in elektriciteit door grote hoeveelheden warmte uit te stralen van een heet object naar een fotovoltaïsche cel in zijn uiterste nabijheid, Lipson voegt eraan toe. "En als we een grote hoeveelheid warmte in de vorm van licht van een heet object naar een fotovoltaïsche cel kunnen schijnen, we zouden mogelijk compacte modules kunnen maken voor directe omzetting van warmte in elektrische stroom. Deze modules kunnen worden gebruikt in auto's, bijvoorbeeld, om de verloren warmte van de verbrandingsmotor weer om te zetten in bruikbare elektrische energie. We zouden ze ook in onze huizen kunnen gebruiken om elektriciteit op te wekken uit alternatieve energiebronnen zoals biobrandstoffen en opgeslagen zonne-energie."