Jak wykazali w toku swoich eksperymentów, w nanoskali ciepło może zachowywać się w sposób znacznie odbiegający od klasycznych zasad fizyki, a odpowiednio zaprojektowane materiały pozwalają wykorzystać ten efekt do radykalnego zwiększenia transferu energii. Bo choć w makroskali procesy takie jak stygnięcie kawy są dobrze opisane przez prawa termodynamiki oraz klasyczne modele wymiany energii, to sytuacja diametralnie się zmienia, gdy odległości pomiędzy obiektami spadają do poziomów liczonych w nanometrach.
Czytaj też: Kot Schrödingera doczekał się rodziny. Fizycy mówią, że to coś więcej, niż tylko ciekawostka
Mówiąc dokładniej, w normalnych warunkach energia cieplna jest emitowana w postaci promieniowania elektromagnetycznego i rozchodzi się w otoczeniu zgodnie z dobrze znanymi prawami fizyki. Kiedy jednak odległość spada do miliardowych części metra, pojawiają się efekty kwantowe pozwalające energii przenikać pomiędzy nimi znacznie skuteczniej, niż przewidują klasyczne modele.
Problem polegał na tym, że naukowcy nie potrafili skutecznie wzmacniać przepływu energii w kontrolowany sposób. Rozwiązaniem okazały się metamateriały, czyli specjalnie projektowane struktury o właściwościach niewystępujących w naturze. Ich mikroskopijna budowa pozwala manipulować światłem, falami elektromagnetycznymi i energią cieplną z niezwykłą precyzją.
W przeprowadzonym eksperymencie badacze stworzyli nanostruktury wykorzystujące złoto. Nie chodziło jednak o sam metal, lecz o odpowiednio zaprojektowaną geometrię materiału. Dzięki temu udało powstał metamateriał zdolny do znaczącego zwiększenia przepływu energii cieplnej pomiędzy bardzo blisko położonymi powierzchniami. Wyniki eksperymentów pokazały, iż transfer ciepła może być nawet czterokrotnie większy niż w porównywalnych konwencjonalnych układach.
To rezultat, który powinien przełożyć się na przyszłość całej branży elektronicznej. Współczesne procesory, układy sztucznej inteligencji i centra danych generują coraz większe ilości ciepła. W wielu przypadkach właśnie odprowadzanie energii staje się głównym ograniczeniem wydajności. Nawet najpotężniejsze układy obliczeniowe muszą obniżać częstotliwość pracy, aby uniknąć przegrzania. Możliwość znacznie skuteczniejszego transportu ciepła mogłaby pozwolić na tworzenie szybszych i bardziej energooszczędnych urządzeń.
Czytaj też: Historia pisze się na naszych oczach! Fizycy opracowali działający zegar, jakiego jeszcze nie było
Poza tym powinny pojawić się zastosowania w technologiach energetycznych wykorzystujących promieniowanie cieplne do produkcji energii elektrycznej. Szczególne zainteresowanie inżynierów budzą systemy termofotowoltaiczne, które zamieniają energię cieplną bezpośrednio na energię elektryczną. Jednym z głównych problemów tych technologii pozostaje efektywność przesyłu energii. Nowa metoda mogłaby znacząco zwiększyć ich sprawność i przyspieszyć komercjalizację takich rozwiązań. Sposobów na wykorzystanie tej technologii z pewnością więc nie zabraknie.
Źródło: Nature
