炎熱是我們每天都會遇到的事情。一杯熱氣騰騰的咖啡逐漸變涼，筆記型電腦在使用過程中變熱，陽光使地球表面變暖。然而，當在小於人類頭髮寬度的距離處分析熱量時，它可能會以意想不到的方式表現。
卡內基美隆大學的研究人員與史丹佛大學和普渡大學的合作者合作，展示了一種在奈米尺度控制熱量的強大新方法。他們的研究結果發表於 自然提供了強有力的實驗證據，表明使用特殊設計的超材料可以故意設計並顯著增強傳熱。
熱如何透過小間隙傳播
該研究基於一種稱為近場輻射傳熱的現象。當兩個物體相距只有幾百奈米時，熱量在它們之間傳播的效率比正常情況下要高得多。
熱能可以利用電磁波穿過狹窄的間隙，而不是向外輻射。這個過程允許比通常預期更多的熱量從一個物體流向另一個物體。
多年來，科學家已經了解這種效應，但證明如何透過實驗加強它仍然是一個挑戰。
超材料增加傳熱
為了實現這一目標，研究人員轉向超材料，即具有微觀重複結構的工程材料，旨在以高度受控的方式與能量相互作用。
「與傳統材料不同，超材料是由小的、重複的圖案構成的，這些圖案以特定的方式與能量相互作用，」卡內基梅隆大學機械工程教授、該研究的主要作者沉盛說。 「我們將微觀金結構製成薄膜，並將它們面對面放置在奈米級間隙中。與沒有超材料的類似配置相比，這將傳熱增加了四倍，這遠遠超出了傳統物理學在更遠距離上的預測。”
該團隊的實驗表明，金色圖案結構顯著增加了通過空隙的熱量，實現的傳熱率比沒有工程圖案的同類系統高出四倍。
效果背後的科學
這種改進並不是增加更多熱量傳播路徑的結果。
「金結構不是增加更多的熱路徑，而是與材料自然產生的能量波（稱為表面聲子極化子）相互作用，產生共振效應，」沈教授研究小組的博士生、該研究的第一作者澤曉王說。 “這些耦合振動使能量能夠更自由、更有效地穿過虛空。”
研究人員表示，這種效應是由微觀結構和材料的自然能量波共同作用所引起的。
「這是一種協同效應，」沉說。 “結構和材料相輔相成。”
電子和能源領域的潛在應用
這些發現可能具有重要的實際用途。隨著電子設備變得越來越小、功能越來越強大，消除多餘的熱量已成為最重要的工程挑戰之一。
能夠更有效地引導和控制熱量可以為電腦晶片和其他高性能電子系統帶來更好的冷卻方法。
這項發現也可能有利於能源技術。熱光伏系統透過將熱輻射轉化為可用電力來利用熱量發電。提高熱輻射傳輸效率有助於使這些技術更加可行。
此外，涉及紅外線感測的應用可以具有更強、更精確控制的熱訊號。潛在用途範圍從環境監視到國家安全。
邁向熱門工程
儘管這些實驗是在嚴格控制的實驗室條件下進行的，並且仍然僅限於奈米級系統，但這項工作代表了從理論預測到現實世界演示的重要一步。
沉說：“如果熱能的設計精度可以與電或光相同，那麼它就可以打開一扇通往新技術的大門，這種技術不僅可以承受熱量，而且可以利用它。”
這項工作得到了國防威脅降低局、國家科學基金會和空軍科學研究辦公室的支持。沈盛和範善慧為通訊作者。 Zexiao Wang、Renwen Yu 和 Hakan Salihoglu 對這項工作做出了同等貢獻。
