Κάθε φορά που το smartphone μας ζεσταίνεται στα χέρια μας ή που ακούμε τον ανεμιστήρα του υπολογιστή μας να λειτουργεί στο maximum, ερχόμαστε αντιμέτωποι με έναν από τους μεγαλύτερους περιορισμούς της σύγχρονης τεχνολογίας: τη διαχείριση της θερμότητας.
Η αόρατη «αχίλλειος πτέρνα» της σύγχρονης τεχνολογίας
Καθώς τα microchips γίνονται όλο και πιο μικρά, πιο ισχυρά και πιο γρήγορα, η θερμότητα που εγκλωβίζεται στο εσωτερικό τους απειλεί να «γονατίσει» τις επιδόσεις τους. Μέχρι σήμερα, η επιστήμη προσπαθούσε απλώς να αντιμετωπίσει τις συνέπειες αυτού του φαινομένου. Τώρα, όμως, μια επαναστατική ανακάλυψη αλλάζει τους κανόνες του παιχνιδιού.
Επιστήμονες παρουσίασαν έναν νέο τρόπο για τη δραματική ενίσχυση της μεταφοράς θερμότητας σε κενά νανοκλίμακας, χρησιμοποιώντας ειδικά σχεδιασμένα μεταϋλικά. Η θερμότητα μπορεί να διαπεράσει ένα μικροσκοπικό κενό αέρος πολύ πιο αποτελεσματικά από ό,τι θα υπέθετε κανείς με βάση τη συνήθη θερμική ακτινοβολία.
Οι ερευνητές έδειξαν τώρα ότι μεταϋλικά με προσεκτικά διαμορφωμένα μοτίβα μπορούν να ενισχύσουν αυτή τη ροή ενέργειας σε νανοκλίμακα έως και τέσσερις φορές. Η ανακάλυψη αυτή προσφέρει πειραματικές αποδείξεις ότι η μεταφορά θερμότητας μπορεί πλέον να σχεδιαστεί από το μηδέν και όχι απλώς να διευθετηθεί.
Η μελέτη, η οποία δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature από ερευνητές των πανεπιστημίων Carnegie Mellon, Stanford και Purdue, επικεντρώνεται στη μεταφορά θερμότητας μέσω ακτινοβολίας κοντινού πεδίου (near-field radiative heat transfer).
Το φαινόμενο αυτό εμφανίζεται όταν δύο αντικείμενα απέχουν μεταξύ τους μόλις λίγα εκατοντάδες νανόμετρα, επιτρέποντας σε ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις, οι οποίες είναι αμελητέες σε μεγαλύτερες αποστάσεις, να κυριαρχήσουν στην ανταλλαγή θερμικής ενέργειας.
Όταν η θερμότητα “πηδά” το κενό στη νανοκλίμακα
Σε καθημερινές αποστάσεις, τα αντικείμενα ανταλλάσσουν θερμότητα κυρίως μέσω γνωστών διαδικασιών, όπως η αγωγιμότητα, η μεταφορά και η θερμική ακτινοβολία. Όταν όμως οι επιφάνειες πλησιάζουν εξαιρετικά κοντά, τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία της μίας επιφάνειας μπορούν να αλληλεπιδράσουν απευθείας με την άλλη.
Έτσι, η ενέργεια μπορεί να διαπεράσει το κενό μέσω φαινομένων κοντινού πεδίου, επιτυγχάνοντας ρυθμούς μεταφοράς θερμότητας που ξεπερνούν κατά πολύ αυτό που θα επέτρεπε η συμβατική ακτινοβολία μακρινού πεδίου. Οι επιστήμονες μελετούν αυτό το φαινόμενο εδώ και χρόνια, όμως η νέα αυτή εργασία αποδεικνύει πειραματικά ότι οι τεχνητές δομές μπορούν να το ενισχύσουν ακόμη περισσότερο.
Οι ερευνητές διαμόρφωσαν μικροσκοπικές δομές χρυσού πάνω σε λεπτές μεμβράνες και στη συνέχεια τοποθέτησαν δύο τέτοιες επιφάνειες face-to-face (τη μία απέναντι στην άλλη), αφήνοντας ανάμεσά τους ένα κενό νανοκλίμακας. «Σε αντίθεση με τα συμβατικά υλικά, τα μεταϋλικά κατασκευάζονται με μικροσκοπικά, επαναλαμβανόμενα μοτίβα που αλληλεπιδρούν με την ενέργεια με τρόπους ακριβείας», δήλωσε ο Sheng Shen, καθηγητής μηχανολογίας στο Πανεπιστήμιο Carnegie Mellon και επικεφαλής της μελέτης.
«Αποτυπώσαμε μικροσκοπικές δομές χρυσού πάνω σε λεπτές μεμβράνες και τις τοποθετήσουμε αντικριστά σε ένα κενό νανοκλίμακας. Αυτό αύξησε τη μεταφορά θερμότητας έως και τέσσερις φορές σε σύγκριση με παρόμοιες διατάξεις χωρίς μεταϋλικά —κάτι που ξεπερνά κατά πολύ αυτό που θα προέβλεπε η παραδοσιακή φυσική για μεγαλύτερες αποστάσεις».
Πηγή εικόνας : Carnegie Mellon College of Engineering
Όταν τα κύματα “συντονίζονται”, η θερμότητα απογειώνεται
Η ενισχυμένη μεταφορά δεν προκύπτει απλώς επειδή δημιουργούνται επιπλέον «διαδρομές» για τη θερμότητα. Αντίθετα, οι διαμορφωμένες δομές χρυσού αλληλεπιδρούν με τα πολαριτόνια φωνονίων επιφάνειας (surface phonon polaritons) —δηλαδή με ηλεκτρομαγνητικά κύματα που είναι συνδεδεμένα με τις δονήσεις των ατόμων κοντά στην επιφάνεια ορισμένων υλικών.
«Αντί απλώς να προσθέτουν περισσότερες διόδους για τη θερμότητα, οι δομές χρυσού αλληλεπιδρούν με τα κύματα ενέργειας που υπάρχουν φυσικά στο υλικό, γνωστά ως πολαριτόνια φωνονίων επιφάνειας, δημιουργώντας ένα φαινόμενο συντονισμού», δήλωσε ο Zexiao Wang, διδακτορικός φοιτητής στην ερευνητική ομάδα του καθηγητή Shen και συν-πρώτος συγγραφέας της μελέτης.
«Αυτές οι συζευγμένες δονήσεις επιτρέπουν στην ενέργεια να κινείται πιο ελεύθερα και αποτελεσματικά σε όλο το εύρος του κενού». «Πρόκειται για ένα συνεργατικό φαινόμενο», δήλωσε ο Shen. «Οι δομές και το υλικό ενισχύουν το ένα το άλλο».
Η νέα αρχιτεκτονική της θερμότητας: Από τα microchips έως τα ενεργειακά συστήματα
Ο ακριβής έλεγχος της ροής της θερμότητας θα μπορούσε τελικά να βοηθήσει στην αντιμετώπιση ενός από τα κεντρικά προβλήματα στα σύγχρονα ηλεκτρονικά. Καθώς τα εξαρτήματα μικραίνουν και τα υπολογιστικά συστήματα γίνονται πιο ισχυρά, η απομάκρυνση της θερμότητας από τις πυκνά δομημένες συσκευές γίνεται όλο και πιο δύσκολη.
Οι δομές που χειρίζονται τη θερμική μεταφορά σε πολύ μικρές κλίμακες θα μπορούσαν να προσφέρουν νέες προσεγγίσεις για την ψύξη των microchips και άλλων συστημάτων υψηλών επιδόσεων. Η ίδια φυσική θα μπορούσε επίσης να επηρεάσει τεχνολογίες που μετατρέπουν τη θερμική ακτινοβολία σε ηλεκτρική ενέργεια.
Τα θερμοφωτοβολταϊκά συστήματα παράγουν ηλεκτρική ισχύ από το φως που εκπέμπουν τα θερμά αντικείμενα, επομένως η αύξηση της αποδοτικότητας και του ελέγχου της θερμικής ακτινοβολίας θα μπορούσε να βελτιώσει την απόδοσή τους. Οι αισθητήρες υπερύθρων ενδέχεται επίσης να επωφεληθούν από ισχυρότερα ή πιο επακριβώς ελεγχόμενα θερμικά σήματα σε εφαρμογές που κυμαίνονται από την περιβαλλοντική παρακολούθηση έως την εθνική ασφάλεια.
Προς το παρόν, τα αποτελέσματα αυτά αφορούν δομές νανοκλίμακας που λειτουργούν υπό προσεκτικά ελεγχόμενες εργαστηριακές συνθήκες. «Αν η θερμότητα μπορεί να σχεδιαστεί με την ίδια ακρίβεια όπως ο ηλεκτρισμός ή το φως, ίσως ανοίξει η πόρτα για μια νέα κατηγορία τεχνολογιών που θα έχουν κατασκευαστεί όχι απλώς για να αντέχουν τη θερμότητα, αλλά για να την τιθασεύουν και να την αξιοποιούν», δήλωσε ο Shen.
