Ученые научились управлять теплом на наноуровне с помощью метаматериалов

Способность точно контролировать поток тепла может привести к новым стратегиям охлаждения чипов и высокопроизводительных систем. Credit: Carnegie Mellon College of Engineering

Исследователи из Университета Карнеги-Меллона совместно с коллегами из Стэнфорда и Университета Пердью продемонстрировали новый метод управления теплом на наноуровне. Результаты их работы опубликованы в журнале Nature.

В основе исследования лежит явление ближнепольного радиационного теплообмена. Когда два объекта разделены расстоянием всего в несколько сотен нанометров, тепловая энергия может «туннелировать» через узкий зазор с помощью электромагнитных волн, что значительно эффективнее обычной теплопередачи.

Чтобы усилить этот эффект, ученые использовали метаматериалы — искусственные структуры с микроскопическими повторяющимися элементами. Они нанесли узоры из микроскопических золотых структур на тонкие мембраны и расположили их друг напротив друга через нанозазор.

«В отличие от обычных материалов, метаматериалы создаются с крошечными повторяющимися узорами, которые взаимодействуют с энергией точным образом, — объяснил Шэн Шэнь, профессор машиностроения в Университете Карнеги-Меллона и старший автор исследования. — Это увеличило теплопередачу в четыре раза по сравнению с аналогичными установками без метаматериалов, что намного превосходит предсказания традиционной физики для больших расстояний».

Усиление происходит не за счет добавления дополнительных путей для тепла. Золотые структуры взаимодействуют с естественными энергетическими волнами в материале (поверхностными фонон-поляритонами), создавая резонансный эффект. «Эти связанные колебания позволяют энергии перемещаться более свободно и эффективно через зазор», — отметил Зэсяо Ван, аспирант и соавтор исследования.

Открытие может найти применение в охлаждении компьютерных чипов и высокопроизводительных электронных систем, а также в термофотовольтаике — технологиях преобразования тепла в электричество. Кроме того, усиленные тепловые сигналы могут быть полезны для инфракрасного зондирования в сферах от мониторинга окружающей среды до национальной безопасности.

Хотя эксперименты проводились в лабораторных условиях и ограничены наноразмерными системами, работа представляет собой важный шаг от теоретических предсказаний к практической демонстрации.

«Если тепло можно будет проектировать с той же точностью, что и электричество или свет, это может открыть дверь к новому классу технологий, созданных не просто для того, чтобы выдерживать тепло, но и использовать его», — подытожил Шэн Шэнь.