Ogen gericht op het onmogelijke: eerste meting van thermische straling in het nabije veld, subgolflengte

Nanoapparaten veranderen de manier waarop we ziekten diagnosticeren, voedsel en water verwerken en duurzame energie opslaan. Maar om gelijke tred te houden met de technologie van de volgende generatie, moeten onderzoekers de fundamentele principes begrijpen die ten grondslag liggen aan hun functionaliteit.

In de natuurkunde beschrijft de wet van Planck hoeveel warmte tussen twee objecten kan worden overgedragen als de opening tussen de objecten groter is dan de thermische golflengte, die bij kamertemperatuur ongeveer 10 micrometer bedraagt. Uit eerder onderzoek van Sheng Shen, hoogleraar werktuigbouwkunde, is gebleken dat de wet van Planck op nanoschaal kan worden overtreden: wanneer objecten dichter bij elkaar staan, overtreft de energie-emissie de verwachtingen.

Nu, na jaren van vallen en opstaan, heeft het laboratorium van Shen een geavanceerd instrument vervaardigd om de eerste met nano-apparaten uitgeruste thermische metingen in het nabije veld te verzamelen. Hun bevindingen onthullen geheel nieuw inzicht in de energietransportfysica binnen nano-apparaten – een hoeksteen voor toepassingen van nano-apparaten voor energieconversie en -oogst.

“We wilden de grens verleggen”, zegt Sheng Shen, hoogleraar Werktuigbouwkunde. “Kunnen we zowel de opening ALS het object kleiner maken om de warmteoverdracht op nanoschaal beter te begrijpen?”

Om dit te onderzoeken heeft Xiao Luo, Ph.D. Kandidaat in Werktuigbouwkunde, heeft op maat een nieuw platform voor nano-apparaten gebouwd met hangende verwarmingsthermometrie om de eerste meting van thermische straling in het nabije veld tussen twee sub-golflengtestructuren te rapporteren.

“Ik heb veel fabricageproblemen overwonnen, waaronder vervuiling, kapotte apparaten en membranen die aan elkaar bleven plakken”, zei Luo. “Het hele idee is dat twee kleine membranen perfect op elkaar zijn afgestemd, zonder interferentie van enig ander object dat ook warmte zou kunnen overdragen.”

Luo gebruikte chemisch etsen om de twee membranen, één met een lange straalsensor om de warmteabsorptie te controleren, op te hangen door het grootste deel van het substraat te verwijderen. Vervolgens mat hij de thermische straling tussen de apparaten op verschillende spleetafstanden, variërend van ongeveer 150 nm tot 750 nm.

Vergeleken met de theoretische straling van zwarte lichamen demonstreerde het team een ​​twintigvoudige verbetering in de warmteoverdracht tussen twee subgolflengteoppervlakken met een scheidingsafstand van 150 nm.

“Het verrassende is dat het hele verhaal niet draait om de grootte van de kloof, zoals we eerder dachten”, zei Shen. “Toen we het object kleiner maakten dan de golflengte, werd de thermische straling lang niet zo sterk verbeterd als verwacht op basis van de theorie voor twee grote objecten. Onderzoekers moeten zowel de structuur als de onderliggende fysica analyseren om dit fenomeen te begrijpen.”

Luo en team valideerden hun bevindingen met behulp van een computationele simulatie.

Shen gelooft dat het nog tien tot twintig jaar zal duren voordat consumenten een tastbaar product zien dat is ontwikkeld met deze fundamentele fysica in gedachten, maar heeft vertrouwen in de waarde ervan voor thermische engineering en fotonica.

Het werk is gepubliceerd in het journaal Nano-brieven.