Iedereen heeft op een zonnige dag buiten gezeten en opgewarmd door de zonnestralen. Dit gebeurt via een proces dat bekend staat als stralingswarmteoverdracht:de zon zendt licht uit (elektromagnetische straling), die naar de aarde reist en de objecten verwarmt die het absorberen. Stralingswarmteoverdracht is ook het mechanisme achter thermische camera's.

Elk heet voorwerp, inclusief mensen, straalt licht uit, waardoor het warmte kan afgeven en thermisch kan worden aan de omgeving. De golflengten, of kleuren licht die worden uitgestraald, afhankelijk van de temperatuur van het object, waarbij de zon heet genoeg is om zichtbaar licht te produceren en menselijke lichamen licht uitstralen dat niet zichtbaar is voor het oog maar kan worden opgevangen door infraroodsensoren.

Voor macroscopische objecten, stralingswarmteoverdracht wordt nauwkeurig beschreven door de bekende wet van Planck van zwartlichaamstraling, vaak gezien in de bachelor natuurkunde lessen. Wanneer de grootte van een object de nanoschaal nadert, echter, De wet van Planck is niet langer van toepassing. Op deze schaal, honderden tot duizenden keren kleiner dan de dikte van een mensenhaar, de stralingsuitwisseling van warmte kan vele malen efficiënter zijn dan op macroschaal.

Het beheersen van stralingswarmteoverdracht op nanoschaal kan de ontwikkeling van een breed scala aan toepassingen mogelijk maken. Een voorbeeld is thermofotovoltaïsche, een technologie die tot doel heeft de geproduceerde verloren warmte om te zetten, bijvoorbeeld, door motoren en fabrieken in bruikbare elektriciteit. Een andere toepassing is het afkoelen van de elektronische componenten in microchips, waarvan de afmetingen de nanoschaal al hebben bereikt. Verbeterde technieken voor thermisch beheer voor deze apparaten kunnen helpen voorkomen dat computers oververhit raken en de ontwikkeling van chips met meer transistors vergemakkelijken.

Geïnspireerd door deze grote belofte, wetenschappers van de Universiteit van New Mexico, Los Alamos Nationaal Laboratorium (LANL), en het Instituut voor Optica in Spanje hebben een studie gepubliceerd die nieuw inzicht geeft in de manier waarop verzamelingen nanodeeltjes stralingswarmte uitwisselen met elkaar en hun omgeving. Hun werk, getiteld "Near-Field Radiative Heat Transfer Eigenmodes" werd gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven onlangs.

Voorafgaand aan dit werk, wetenschappers wisten hoe ze de thermalisatiedynamiek van rangschikkingen van nanodeeltjes moesten berekenen, maar de berekeningen vereisen aanzienlijke rekenkracht die zelfs voor systemen met een tiental deeltjes onbetaalbaar wordt. In dit onderzoek, onder leiding van Alejandro Manjavacas in samenwerking met Diego Dalvit en Wilton Kort-Kamp van LANL, de onderzoekers hebben een theoretisch raamwerk ontwikkeld dat een efficiënte en eenvoudige beschrijving van de thermalisatiedynamiek van systemen met zelfs duizenden nanodeeltjes mogelijk maakt.

"Onze methode biedt een elegante en efficiënte aanpak om problemen op te lossen die al langer bestaan, ' zei Manjavacas.

Het theoretische kader van de onderzoekers breekt de dynamiek van stralingswarmteoverdracht af met behulp van eenvoudige wiskundige technieken die men zou tegenkomen in een niet-gegradueerde lineaire algebra-klasse. Daarbij, ze waren niet alleen in staat om de thermalisatie van grote en gecompliceerde systemen te bestuderen, maar ontdek ook fysiek inzicht dat zich op onverwachte manieren aandient.

Bijvoorbeeld, het team vond dat wanneer een rangschikking van nanodeeltjes aanvankelijk enige hoeveelheid warmte bevat, het systeem zal de temperatuur van zijn omgeving op dezelfde manier benaderen, ongeacht welke deeltjes heet zijn. In tegenstelling tot, als de totale warmte aanvankelijk in een systeem nul is, zoals wanneer het ene nanodeeltje heter is dan de omgeving en het andere kouder, het systeem bereikt sneller thermisch evenwicht dan welke temperatuurverdeling dan ook met enige initiële warmte. Dit geldt zelfs als het laatste geval een veel kleinere verandering in temperatuur vereist dan het eerste.

Een ander interessant gedrag dat de auteurs beschreven, betreft een oscillerende evolutie van de temperatuur van een nanodeeltje terwijl het naar de omgeving thermaliseert:in de loop van de thermalisatie, het nanodeeltje koelt af en warmt meerdere keren op, ook al blijft de omgeving altijd op dezelfde temperatuur.

"Ik vond dit project erg spannend omdat het gaat om de toepassing van eenvoudige maar elegante wiskundige concepten op een state-of-the-art natuurkundig probleem, " zei hoofdauteur van het artikel, Stefan Sanders, die binnenkort zal afstuderen aan UNM met zijn Ph.D. in natuurkunde met plannen om naar Rice University te verhuizen als Rice Academy Fellow.

Een andere afgestudeerde student die betrokken was bij de paper, Lauren Zundel, die een Department of Energy Computational Science Graduate Fellow is, zegt, "Het was geweldig om wat ik heb geleerd over computationele wetenschap toe te passen om een ​​probleem als dit op te lossen."