Konduktion och värmestrålning är två sätt på vilka värme överförs från ett objekt till ett annat:Konduktion är den process genom vilken värme flyter mellan föremål i fysisk kontakt, som en gryta med te på en het spis, medan termisk strålning beskriver värmeflödet över stora avstånd, som värme från solen.

Dessa två grundläggande värmeöverföringsprocesser förklarar hur energi rör sig över mikroskopiska och makroskopiska avstånd. Men det har varit svårt för forskare att fastställa hur värmen flyter över mellanliggande luckor.

Nu forskare vid MIT, University of Oklahoma, och Rutgers University har utvecklat en modell som förklarar hur värme flödar mellan objekt separerade med luckor på mindre än en nanometer. Teamet har utvecklat ett enhetligt ramverk som beräknar värmetransport vid begränsade luckor, och har visat att värmeflödet vid sub-nanometeravstånd inte sker via strålning eller ledning, men genom "fonontunnel."

Fononer representerar energienheter som produceras av vibrerande atomer i ett kristallgitter. Till exempel, en enda kristall bordsalt innehåller atomer av natrium och klorid, arrangerad i ett gallermönster. Tillsammans, atomerna vibrerar, skapa mekaniska vågor som kan transportera värme över gallret.

Normalt sett är dessa vågor, eller fononer, kan bara bära värme inuti, och inte mellan, material. Dock, den nya forskningen visar att fononer kan nå ett gap så litet som en nanometer, "tunneling" från ett material till ett annat för att förbättra värmetransporten.

Forskarna tror att fonontunnel förklarar energitransportens fysiska mekanik i denna skala, som inte klart kan hänföras till vare sig ledning eller strålning.

"Detta är rätt i regimen där språket för ledning och strålning är suddigt, "säger Vazrik Chiloyan, en MIT -doktorand i maskinteknik. "Vi försöker komma med en tydlig bild av vad fysiken är i den här regimen. Nu har vi samlat information för att visa att tunnling är, faktiskt, vad som händer för värmeöverföringsbilden. "

Chiloyan och Gang Chen, Carl Richard Soderberg professor i kraftteknik och chef för MIT:s avdelning för maskinteknik, publicera sina resultat den här veckan i Naturkommunikation .

Rensa den termiska bilden

Under de senaste decennierna har forskare har försökt definiera värmetransport över allt mindre avstånd. Flera grupper, inklusive Chens, har experimentellt mätt värmeflöde genom termisk strålning över luckor så små som tiotals nanometer. Dock, när experimenten går till ännu mindre avstånd, forskare har ifrågasatt giltigheten av nuvarande teorier:Befintliga modeller har i stor utsträckning baserats på teorier om termisk strålning som Chiloyan säger "smetade ut atomdetaljer, "förenkla värmeflödet från atom till atom.

I kontrast, det finns en teori för värmeledning - känd som Greens funktioner - som beskriver värmeflöde på atomnivå för material i kontakt. Teorin tillåter forskare att beräkna frekvensen av vibrationer som kan färdas över gränssnittet mellan två material.

"Men med Greens funktioner, atom-till-atom-interaktioner tenderar att släppa efter några grannar. ... Du skulle artificiellt förutsäga noll värmeöverföring efter några atomseparationer, "Säger Chiloyan." För att faktiskt förutsäga värmeöverföring över gapet, du måste inkludera lång räckvidd, elektromagnetiska krafter. "

Vanligtvis, elektromagnetiska krafter kan beskrivas med Maxwells ekvationer - en uppsättning av fyra grundläggande ekvationer som beskriver elektricitetens och magnetismens beteende. För att förklara värmeöverföring i mikroskopisk skala, dock, Chiloyan och Chen var tvungna att gräva upp den mindre kända formen som kallas mikroskopiska Maxwells ekvationer.

"De flesta människor vet nog inte att det finns en mikroskopisk Maxwells ekvation, och vi var tvungna att gå till den nivån för att överbrygga atombilden, "Säger Chen.

Överbrygga klyftan

Teamet utvecklade en modell för värmetransport, baserat på både Greens funktioner och mikroskopiska Maxwells ekvationer. Forskarna använde modellen för att förutsäga värmeflöde mellan två galler natriumklorid, eller bordsalt, åtskilda av ett nanometer-brett gap.

Med modellen, Chiloyan och Chen kunde beräkna och sammanfatta de elektromagnetiska fälten som avges av enskilda atomer, baserat på deras positioner och krafter inom varje gitter. Medan atomvibrationer, eller fononer, kan vanligtvis inte transportera värme över avstånd större än några atomer, laget fann att atomernas summerade elektromagnetiska kraft kan skapa en "bro" för fononer att korsa.

När de modellerade värmeflödet mellan två natriumkloridgaller, forskarna fann att värmen flödade från det ena gallret till det andra via fonontunnel, vid mellanrum på en nanometer och mindre.

Vid sub-nanometer luckor "är en regim där vi saknar korrekt språk, "Säger Chen." Nu har vi utvecklat ett ramverk för att förklara denna grundläggande övergång, överbrygga den klyftan. "