Nieuwe vooruitgang in nanofotonica legt uit hoe verzamelingen hete nanodeeltjes afkoelen

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), dat naar de aarde reist en de objecten die het absorberen opwarmt. Warmteoverdracht door straling is ook het mechanisme achter thermische camera’s.

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

Voor macroscopische objecten wordt stralingswarmteoverdracht nauwkeurig beschreven door de welbekende Planck’s wet van zwarte-lichaamsstraling, die vaak wordt gezien in niet-gegradueerde natuurkundelessen. Wanneer de grootte van een object de nanoschaal nadert, is de wet van Planck echter niet langer van toepassing. Op deze schaal, honderden tot duizenden keren kleiner dan de dikte van een mensenhaar, kan de stralingsuitwisseling van warmte 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 technologie, een technologie die erop gericht is verspilde warmte die bijvoorbeeld door motoren en fabrieken wordt geproduceerd, om te zetten in bruikbare elektriciteit. Een andere toepassing is het afkoelen van de elektronische componenten in microchips, waarvan de afmetingen al de nanoschaal hebben bereikt. Verbeterde thermische beheertechnieken voor deze apparaten kunnen helpen voorkomen dat computers oververhit raken en de ontwikkeling van chips met meer transistors vergemakkelijken.

Geïnspireerd door deze grote belofte hebben wetenschappers van de Universiteit van New Mexico, Los Alamos National Laboratory (LANL) en het Institute of Optics in Spanje een studie gepubliceerd die nieuw inzicht geeft in de manier waarop verzamelingen nanodeeltjes warmte met elkaar uitwisselen. en hun omgeving. Hun werk, getiteld “Near-Field Radiative Heat Transfer Eigenmodes”, werd gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven kort geleden.

Voorafgaand aan dit werk wisten wetenschappers hoe ze de thermalisatiedynamica van arrangementen van nanodeeltjes moesten berekenen, maar de berekeningen vereisen aanzienlijke rekenhulpbronnen die zelfs voor systemen met een dozijn deeltjes onbetaalbaar worden. In deze studie, geleid door Alejandro Manjavacas in samenwerking met Diego Dalvit en Wilton Kort-Kamp van LANL, hebben de onderzoekers een theoretisch raamwerk ontwikkeld dat een efficiënte en eenvoudige beschrijving mogelijk maakt van de thermalisatiedynamiek van systemen met zelfs duizenden nanodeeltjes.

“Onze methode biedt een elegante en efficiënte benadering om problemen op te lossen die al een tijdje bestaan”, aldus Manjavacas.

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

Het team ontdekte bijvoorbeeld dat wanneer een arrangement van nanodeeltjes aanvankelijk een bepaalde hoeveelheid warmte bevat, het systeem de temperatuur van zijn omgeving op dezelfde manier zal benaderen, ongeacht welke deeltjes heet zijn. Als daarentegen de totale warmte in een systeem aanvankelijk nul is, zoals wanneer het ene nanodeeltje heter is dan de omgeving en het andere kouder, bereikt het systeem sneller een thermisch evenwicht dan enige temperatuurverdeling met enige aanvankelijke warmte. Dit geldt zelfs als het laatste geval een veel kleinere temperatuurverandering vereist dan het eerste.

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

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

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