تعمل المواد النانوية على زيادة انتقال الحرارة الإشعاعية في المجال القريب إلى أربعة أضعاف ما تنقله المجموعة الضابطة

الملخص:

أظهر الباحثون في جامعة كارنيجي ميلون وجامعة ستانفورد وجامعة بوردو طريقة لتنظيم انتقال الحرارة على المستوى النانوي: إنشاء هياكل ذهبية مجهرية على أغشية رقيقة بحيث يواجه السطحان بعضهما البعض عبر فجوة ضيقة للغاية، وبالتالي تعزيز كفاءة نقل الحرارة عبر الفجوة في شكل إشعاع كهرومغناطيسي بشكل كبير. في التجربة، كانت قدرة نقل الحرارة لجهاز المواد الوصفية المصمم هيكليًا تصل إلى حوالي أربعة أضعاف قدرة جهاز التحكم الذي لم يستخدم نفس بنية النمط. يوفر البحث المنشور في مجلة Nature التحقق التجريبي لاستخدام الهياكل الاصطناعية لتنظيم نقل الحرارة الإشعاعي في المجال القريب.

في المقاييس اليومية، تتبادل الأجسام الحرارة بشكل رئيسي من خلال التوصيل الحراري، والحمل الحراري، والإشعاع الحراري العادي؛ ولكن عندما يكون سطحان قريبين من مئات النانومترات، تصبح تأثيرات المجال القريب مهمة. في هذا الوقت، يمكن للمجال الكهرومغناطيسي القريب من السطح نقل الطاقة إلى الجانب الآخر من خلال اقتران الفجوة، مما يجعل نقل حرارة الإشعاع الحراري يتجاوز حد إشعاع الجسم الأسود للمجال البعيد. اختبر الفريق مسافات سطحية تبلغ حوالي 250، و450، و730 نانومتر، وبنى هياكل تتضمن رنانات ذات حلقات مشقوقة ذهبية على أفلام نيتريد السيليكون، وقاس التغيرات في انتقال الحرارة عبر الفجوات النانوية.

تعزيز التآزر بين كلا الهيكلين. يقترن وضع الرنين الناتج عن مرنان حلقة الانقسام الذهبي بقوة ببولاريتونات الفونون الموجودة على سطح نيتريد السيليكون؛ بولاريتونات الفونون هي موجات سطحية تتشكل عن طريق اقتران الموجات الكهرومغناطيسية واهتزازات الشبكة المادية. يمكنهم نقل الطاقة عبر الفجوات الموجودة في المجال القريب. وقد دعم فريق البحث هذا التفسير من خلال المحاكاة الكهرومغناطيسية والتحليل النظري للوضع المزدوج. بمعنى آخر، لا يقتصر البحث على زيادة قناة التوصيل الحراري فحسب، بل يهدف إلى جعل الرنينين يعززان بعضهما البعض من خلال تصميم البنية السطحية للمادة بعناية.

يعتقد الباحثون أن هذه الطريقة قد توفر أفكارًا جديدة لتبريد الرقائق وأنظمة الحوسبة عالية الأداء في المستقبل. وقد يؤدي أيضًا إلى تحسين كفاءة الأنظمة الكهروضوئية الحرارية التي تستخدم الإشعاع الحراري لتوليد الكهرباء، وتساعد في تعزيز قدرات التحكم في الإشارة لأجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء. ومع ذلك، فقد تم الحصول على النتائج الحالية في ظل ظروف معملية نانوية، ودقيقة ومضبوطة، ولم يتم عرض أي مبردات أو أجهزة توليد الطاقة أو منتجات الاستشعار التي يمكن استخدامها مباشرة في الرقائق التجارية. وقال فريق البحث إنه في المستقبل، لا تزال هناك حاجة إلى حل المشكلات الهندسية مثل كيفية دمج هذا الهيكل في الأجهزة الفعلية، والحفاظ على مسافات صغيرة للغاية، وتحقيق التصنيع على مساحة كبيرة.