Onverwacht hoge warmteoverdracht op nanoschaal bevestigd

Er wordt meer warmte overgedragen tussen objecten die slechts een paar nanometer van elkaar verwijderd zijn dan de natuurkundetheorie voorspelt. Een onderzoeksteam van de Universiteit van Oldenburg heeft dit fenomeen, dat enkele jaren geleden voor het eerst werd waargenomen, nu bevestigd met behulp van uiterst nauwkeurige metingen.

In het huidige nummer van Fysieke beoordelingsbrievende onderzoekers, onder leiding van prof. dr. Achim Kittel en PD dr. Svend-Age Biehs, rapport dat over afstanden van slechts enkele nanometers de warmteoverdrachtswaarden van een warme meetsonde naar een koud monsteroppervlak ongeveer honderd keer hoger zijn dan theoretische voorspellingen zouden suggereren.

Deze meting bevestigt de resultaten van experimenten uitgevoerd door de Oldenburg-groep in 2017, volgens welke stralingswarmtewaarden in het “extreme nabije veldregime” aanzienlijk hoger zijn dan de theoretische voorspellingen. De onderliggende oorzaak van dit fenomeen is nog niet begrepen.

De stralingswetten geformuleerd door natuurkundigen Max Planck en Gustav Kirchhoff beschrijven de warmteoverdracht tussen twee objecten via thermische straling. De fundamentele formules van Planck kunnen worden gebruikt om de maximale hoeveelheid energie te berekenen die een lichaam als warmte kan uitstralen.

Wetenschappers weten al een tijdje dat deze limiet niet langer geldt in het nabije veldgebied – wat overeenkomt met afstanden van minder dan tien micrometer. Op zulke afstanden kan de warmtestroom van het ene lichaam naar het andere de door de wet van Planck voorspelde waarde met een factor duizend overschrijden. Dit fenomeen wordt goed begrepen, zowel experimenteel als in theorie.

“In principe kan elk materiaal veel meer warmte in het nabije veld overbrengen dan mogelijk zou moeten zijn volgens de stralingswet van Planck”, legt Biehs uit.

In 2017 vond een team uit Oldenburg onder leiding van Kittel en Biehs bewijs dat op nog kleinere afstanden – minder dan tien nanometer – de waarden voor warmteoverdracht dramatisch toenemen. De wetenschappers voerden hun metingen uit met een unieke near-field scanning thermische microscoop, een type thermische camera die speciaal in Oldenburg is ontwikkeld voor het meten van warmtestromen met nanometerresolutie. Het team kon destijds echter niet volledig uitsluiten dat het effect werd veroorzaakt door onzuiverheden of meetfouten.

In het huidige onderzoek veranderden de onderzoekers hun meetopstelling om de overgang van stralingswarmteoverdracht in het nabije veld naar extreme stralingswarmteoverdracht in het nabije veld op verschillende afstanden met hoge precisie te kunnen onderzoeken. Voordat met de metingen werd begonnen, ondergingen zowel de meetsonde als het monster, een dunne goudfilm, een bijzonder grondig meerstapsreinigingsproces.

Bovendien werd in plaats van een scherpe punt dit keer een met goud beklede bol gebruikt als sonde van de thermische microscoop. Dit verminderde de laterale resolutie van de warmteoverdracht drastisch, maar maakte zeer nauwkeurige metingen van de overgedragen warmtewaarden over grotere afstanden mogelijk.

“We hebben een Ferrari feitelijk in een tractor veranderd, maar daarmee hebben we de nauwkeurigheid van de warmteoverdrachtsmetingen in het overgangsregime tussen het nabije veld en het extreme nabije veld vergroot”, legt Kittel uit.

De experimenten werden uitgevoerd door student Fridolin Geesmann als onderdeel van zijn bachelorscriptie, met hulp van Philipp Thurau en Sophie Rodehutskors. De resultaten van de experimenten geven aan dat de warmteoverdracht in het extreem nabije veld met een factor honderd toeneemt vergeleken met de voorspelde waarden. Het team heeft er nu vertrouwen in dat elke meetonzekerheid is uitgesloten en dat dit inderdaad een effect is dat niet door bestaande theoretische modellen kan worden verklaard.

“Dit is zonder twijfel van verreikende betekenis, omdat het resultaat ons huidige begrip van warmteoverdracht in het nanometerbereik in twijfel trekt”, zegt Kittel, eraan toevoegend dat meer systematische studies gericht op het vinden van een verklaring de moeite waard zouden zijn.

De nieuwe inzichten zouden het voor onderzoekers ook mogelijk kunnen maken om de temperatuur van nanosystemen beter te controleren op gebieden zoals nano-elektronica of nano-optica, waar het nodig kan zijn om objecten te verwarmen of te koelen – bijvoorbeeld de spiegels die worden gebruikt in uiterst nauwkeurige laserexperimenten – zonder ze aan te raken.