Onderzoekers die aan een legerproject werkten, ontwikkelden thermische schakelaars op nanoschaal die essentieel zijn voor het thermisch beheer van apparaten op nanoschaal, koeling, gegevens opslag, thermische berekeningen en warmtebeheer van gebouwen.

Het journaal Natuur Nanotechnologie publiceerde een door het leger gefinancierde studie van onderzoekers van de Universiteit van Michigan die voor het eerst aantoonden hoe een thermische schakelaar op nanoschaal kan worden gebouwd door gebruik te maken van effecten op nanoschaal die optreden wanneer warmte wordt overgedragen tussen een heet en koud nanoschaaldik membraan via thermische straling.

In vergelijking met het enorme aanbod aan apparaten, zoals transistors en diodes die beschikbaar zijn om de stroom van elektriciteit te regelen, er zijn momenteel zeer weinig voorstellen om de warmtestroom te regelen, vooral op nanoschaal. Om deze uitdaging het hoofd te bieden, hebben onderzoekers nanoschaalfenomenen onderzocht die nieuwe functionele thermische apparaten mogelijk maken.

"Het is opwindend om te zien dat legerinvesteringen in fundamenteel onderzoek leiden tot de ontdekking van nieuwe effecten en proof-of-conceptdemonstraties van nieuwe thermische apparaten, " zei Dr. Chakrapani Varanasi, een programmamanager bij het Legeronderzoeksbureau, een onderdeel van het Army Research Laboratory van het Amerikaanse leger Combat Capabilities Development Command. "Deze bevindingen kunnen een sterke impact hebben op thermisch beheer voor de volgende generatie computers voor het leger."

De netwerkmoderniseringsstrategie van het leger is ontworpen om het leger in staat te stellen vanavond te vechten en tegelijkertijd actief op zoek te gaan naar oplossingen van de volgende generatie om potentiële tegenstanders voor te blijven.

Een ontdekking uit 2018 door het onderzoeksteam, die benadrukte hoe warmte in preferentiële richtingen wordt getransporteerd van membranen op nanoschaal, leidde Dr. Dakotah Thompson, de hoofdauteur van de studie van 2018, om te beginnen met het verkennen van mogelijke toepassingen.

"Na enig nadenken werd het ons duidelijk dat we mogelijk een thermische schakelaar konden creëren door de emissie-eigenschappen van de nanomembranen te beheersen door een derde object in de buurt van het nanomembraan te brengen, " zei Dr. Edgar Meyhofer, een professor in werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Michigan.

Om deze hypothese te testen, Thompson ontwikkelde een schema waarbij een vlak object in de nabijheid (micron) van twee co-planaire membranen die warmte uitwisselden, kan worden gebracht.

"Om dit uitdagende doel te bereiken, Ik nanofabriceerde zowel hangende calorimetrische apparaten met een ongekende calorimetrische resolutie als een plat mesa-vormig object, en controleerde de scheiding tussen hen met behulp van een op maat ontwikkelde nanopositioner, ' zei Thompson.

Uit deze experimenten konden de auteurs aantonen dat warmteoverdracht tussen membranen op nanoschaal kan worden in- en uitgeschakeld door simpelweg de scheiding tussen de membranen en de vlakke mesa aan te passen.

Om nauwkeurige numerieke voorspellingen van de experimentele waarnemingen te maken, Dr. Linxiao Zhu, een postdoctoraal onderzoeker in Michigan, en Thompson voerden gedetailleerde berekeningen uit die lieten zien hoe de waarnemingen kwantitatief kunnen worden gerelateerd aan hoe de voortplanting van licht, dat is de drager van warmte, van het ene membraan naar het andere wordt belemmerd door de vlakke mesa die ofwel het licht dat zich tussen de membranen voortplant kan absorberen of het weg van de membranen kan reflecteren.