Onderzoeker bestudeert de controle van de stralingswarmteoverdracht in een paar roterende nanostructuren

Hete lichamen zenden warmte uit in de vorm van elektromagnetische straling. Gloeilampen en nachtzichtcamera’s zijn voorbeelden van technologieën die gebaseerd zijn op dit fysieke fenomeen. Onze dagelijkse ervaring leert ons dat warmte altijd van warme lichamen naar koudere lichamen wordt geleid.

In een nieuwe studie onder leiding van professor natuurkunde en astronomie van de Universiteit van New Mexico, Alejandro Manjavacas, tonen wetenschappers aan dat dit niet altijd gebeurt voor roterende nanostructuren. Deze bevinding zou toepassingen kunnen hebben bij het opwekken van thermofotovoltaïsche energie en de thermische controle van elektronische apparaten.

De resultaten van dit onderzoek, getiteld Control of the Radiative Heat Transfer in a Pair of Rotating Nanostructures, zijn gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven.

De wetenschappers, waaronder ook Juan R. Deop-Ruano van het Institute of Optics in Madrid, Spanje, toonden aan dat, afhankelijk van hun rotatiefrequenties, de stralingswarmteoverdracht tussen twee roterende nanostructuren kan worden verhoogd, verminderd of zelfs omgekeerd met betrekking tot de overdracht die plaatsvindt bij afwezigheid van rotatie.

Hierdoor hebben wetenschappers meer controle over de stralingswarmteoverdracht door gebruik te maken van de rotatie van de nanostructuren.

“De belangrijkste bevinding is dat we hebben aangetoond dat rotatie de stralingswarmteoverdracht tussen twee nanostructuren kan wijzigen, ” zei Manjavacas. “Bij afwezigheid van rotatie wordt een dergelijke overdracht van stralingswarmte uitsluitend bepaald door de temperaturen van de nanostructuren, maar zoals we in ons werk laten zien wanneer ze roteren, kan deze overdracht worden verbeterd, onderdrukt of zelfs omgekeerd.”

Stralingswarmteoverdracht tussen materiële structuren is afkomstig van de thermische fluctuaties van het elektromagnetische veld. Wanneer de afstand tussen de structuren veel kleiner is dan de golflengte van de thermische straling, kan de stralingswarmteoverdracht de voorspellingen van de wet van Planck aanzienlijk overtreffen vanwege de bijdrage van de nabije-veldcomponenten van het elektromagnetische veld. Als de afmetingen van de structuren ook binnen dat bereik vallen, zorgen de sterke reacties die worden geproduceerd door hun elektromagnetische resonanties voor een verdere verbetering van de stralingswarmteoverdracht.

“Wat toepassingen betreft, kan elke fundamentele vooruitgang in het begrijpen van stralingswarmteoverdracht helpen om de technologieën die erop zijn gebaseerd te verbeteren, ” zei Manjavacas. “De belangrijkste voorbeelden zijn de opwekking van thermofotovoltaïsche energie en het thermisch beheer van elektronische apparaten op nanoschaal.

Recente ontwikkelingen in de elektronica hebben ertoe geleid dat transistors die in microchips worden gebruikt al afmetingen op nanoschaal hebben. Een cruciaal probleem van deze systemen is dat ze erg moeilijk te koelen zijn. Een goed begrip van stralingswarmteoverdracht biedt nieuwe mechanismen om deze warmte te onttrekken en daardoor efficiëntere koeltechnologieën te ontwerpen.

“Het bieden van nieuwe manieren om de overdracht van stralingswarmte te beheersen, is cruciaal om technologische uitdagingen met betrekking tot warmtebeheer en energieproductie aan te pakken”, aldus Manjavacas. “De opwekking van thermofotovoltaïsche energie is bijvoorbeeld gebaseerd op de omzetting van warmte in elektromagnetische straling, die door een fotovoltaïsche cel wordt geabsorbeerd om elektriciteit te produceren. De beheersing van de overdracht van stralingswarmte maakt dit proces efficiënter.”

Wetenschappers kijken naar verschillende mogelijke voortzettingen van dit werk, waaronder het omzetten van warmte in beweging.

“We zijn geïnteresseerd in het onderzoeken van de mogelijkheid om warmte in beweging te zetten door gebruik te maken van Casimir-interacties”, zei Manjavacas. “Een andere interessante mogelijkheid is om het samenspel tussen rotatie en magneto-optische reacties te analyseren in de context van stralingswarmteoverdracht en Casimir-koppel.”