När värme rör sig mellan två föremål som inte rör vid varandra, det flyter annorlunda på de minsta skalorna - avstånd i storleksordningen DNA -diametern, eller 1/50, 000 av ett människohår.

Medan forskare har varit medvetna om detta i årtionden, de har inte förstått processen. Värmeflödet behöver ofta förebyggas eller utnyttjas och avsaknaden av ett korrekt sätt att förutsäga det representerar en flaskhals i utvecklingen av nanoteknik.

Nu, i ett unikt ultralågt vibrationslaboratorium vid University of Michigan, ingenjörer har mätt hur värme strålar från en yta till en annan i ett vakuum på avstånd ner till 2 nanometer.

Medan den termiska energin fortfarande flyter från den varmare platsen till den kallare, forskarna fann att det gör det 10, 000 gånger snabbare än det skulle göra i skala, säga, en brasa och ett par kyliga händer. "Snabbare" hänvisar här till den hastighet med vilken temperaturen i det ena provet ändrar temperaturen på det andra - och inte den hastighet med vilken själva värmen rör sig. Värme är en form av elektromagnetisk strålning, så det rör sig med ljusets hastighet. Det som skiljer sig från nanoskala är processens effektivitet.

"Vi har visat, för första gången, de dramatiska förbättringarna av strålningsvärmeflöden i det extrema närområdet, sa Pramod Reddy, docent i maskinteknik och materialvetenskap och teknik. "Våra experiment och beräkningar innebär att värme flödar flera storleksordningar snabbare i dessa extremt små luckor."

Reddy och Edgar Meyhofer, professor i maskinteknik och biomedicinsk teknik, ledde arbetet. En uppsats om resultaten publiceras nyligen online Natur .

Resultaten har tillämpningar inom nanoteknik. De kan främja nästa generations informationslagring, till exempel värmeassisterad magnetisk inspelning. De kan skjuta fram enheter som mer direkt omvandlar värme till el, inklusive värme som genereras i bilar och rymdfarkoster som nu går till spillo. Det är bara några möjliga användningsområden.

Fenomenet forskarna studerade är "strålningsvärme" - den elektromagnetiska strålningen, eller ljus, att all materia över absolut noll avger. Det är emissionen av materiens inre energi från partiklarnas rörelse i materia - rörelse som bara sker över den absoluta nollan.

Forskare kan förklara hur detta händer på makroskopiska avstånd, dimensioner vi lätt kan uppfatta i omvärlden, ner till några som vi inte kan se. För mer än 100 år sedan, den tyska fysikern Max Planck skrev ekvationerna som gör detta möjligt. Hans modell beskriver exakt värmeöverföring över stora till relativt små hålrum, upp till 10 mikrometer vid rumstemperatur. Men när gapet blir så tätt är det nästan inte där, ekvationerna går sönder.

I mitten av förra seklet, den ryska radiofysikern Sergej Rytov föreslog en ny teori som kallades "fluktuationselektrodynamik" för att beskriva värmeöverföring på mindre avstånd än 10 mikrometer. Sedan dess, forskning har inte alltid resulterat i stödjande bevis.

"Det fanns experiment på 1990 -talet eller början av 2000 -talet som försökte testa dessa idéer ytterligare och de fann stora skillnader mellan vilken teori som skulle förutsäga och vilka experiment som avslöjade, "Sa Meyhofer.

På grund av sofistikeringen i U-M-labbet, forskarna säger att deras resultat stänger fallet, och Rytov hade rätt.

"Vårt arbete, utförs i samarbete med kollegorna professor Juan Carlos Cuevas och professor Francisco García-Vidal vid Universidad Autónoma de Madrid, löser en viktig kontrovers och representerar ett viktigt bidrag till värmeöverföringsområdet, "Sa Reddy." Dessa resultat motbevisar nuvarande dogm i värmeöverföring i nanoskala, som hävdar att strålningsvärmeöverföring i enkelsiffriga nanometerstora luckor inte kan förklaras av befintlig teori. "

Anläggningen forskarna använde är en ultralåg vibrationskammare i G. G. Brown Laboratories, universitetets nyrenoverade maskintekniska komplex. Kammaren - en av flera - var specialdesignad för att utföra nanoskalaexperiment så exakt att bara fotsteg kunde störa dem om de gjordes någon annanstans. Rummen tål vibrationer utifrån, som trafik, och inuti, såsom värme- och kylsystem. De begränsar också akustiskt ljud, variationer i temperatur och luftfuktighet, samt radiofrekvens och magnetisk störning.

"Vår anläggning representerar det sanna toppmoderna, "Meyhofer sa." När vi skapar nanoskala luckor som de som krävs för våra nanoskala värmestrålningsexperiment, den minsta störningen kan förstöra ett experiment. "

I kammaren, forskarna använde specialbyggda "skannande termiska mikroskopisonder" som gjorde att de direkt kunde studera hur snabbt värmen flyter mellan två ytor av kiseldioxid, kiselnitrid och guld. Forskarna valde dessa material eftersom de ofta används inom nanoteknik.

För varje material, de utsåg ett prov som skulle värmas till 305 Fahrenheit, and they coated the tip of the probe with the same material, but kept it at a cooler 98 degrees. They slowly moved the sample and the probe together, beginning at 50 nanometers until they were touching, and they measured the temperature of the tip at regular intervals.

The cause of the rapid heat transfer, forskarna upptäckte, is that in nanoscale gaps there can be an overlap of the two sides' surface and evanescent waves, both of which carry heat.

"These waves reach only a small distance into the gap between materials, " said Bai Song, a graduate student in mechanical engineering and one of the lead authors. "And their intensity at the extreme near-field is enormous compared to the electromagnetic waves at larger distances. When these waves from two different devices overlap, that's when they allow tremendous heat flux."