En video av det högprecisionsmikroelektromekaniska systemet (MEMS) som används för att styra avståndet mellan två strålar vid olika temperaturer. Videon är tagen under ett mikroskop med hög förstoring. Hela videoramdimensionen är jämförbar med diametern på en hårsträng. Upphovsman:Raphael St-Gelais, Lipson Nanophotonics Group, Columbia Engineering
I en ny studie som nyligen publicerades i Naturnanoteknik , forskare från Columbia Engineering, Cornell, och Stanford har visat att värmeöverföring kan göras 100 gånger starkare än vad som har förutsetts, helt enkelt genom att föra två objekt extremt nära - på nanoskala avstånd - utan att röra vid varandra. Leds av Columbia Engineering Michal Lipson och Stanford Engineering Shanhui Fan, laget använde specialtillverkade mikromekaniska förskjutningsstyrenheter med ultrahög precision för att uppnå värmeöverföring med hjälp av ljus i den största storleken som hittills rapporterats mellan två parallella objekt.
"Vid separationer så små som 40 nanometer, vi uppnådde nästan en 100-faldig förbättring av värmeöverföring jämfört med klassiska förutsägelser, säger Lipson, Eugene Higgins professor i elektroteknik och professor i tillämpad fysik. "Detta är mycket spännande eftersom det betyder att ljus nu kan bli en dominerande värmeöverföringskanal mellan objekt som vanligtvis utbyter värme mestadels genom ledning eller konvektion. Och, medan andra lag har demonstrerat värmeöverföring med hjälp av ljus i nanoskala tidigare, vi är de första som når prestationer som kan användas för energitillämpningar, som att omvandla värme till el direkt med hjälp av solceller. "
Alla objekt i vår miljö utbyter värme med sin omgivning med hjälp av ljus. Detta inkluderar ljuset som kommer från oss, värmeelementets glödande röda färg i våra brödrostugnar, eller "mörkerseende" -kameror som möjliggör bildinspelning även i fullständigt mörker. Men värmeväxling med ljus är vanligtvis mycket svag jämfört med vad som kan uppnås genom ledning (dvs. genom att helt enkelt sätta två föremål i kontakt med varandra) eller genom konvektion (dvs. med varmluft). Strålningsvärmeöverföring på nanoskala avstånd, medan teoretiseras, har varit särskilt utmanande att uppnå på grund av svårigheten att upprätthålla stora termiska gradienter över nanometerskaleavstånd samtidigt som man undviker andra värmeöverföringsmekanismer som ledning.
En schematisk bild av två strålar vid olika temperaturer som utbyter värme med hjälp av ljus. I situationen när strålarna är långt från varandra (vänster), värmeöverföring som härrör från termisk strålning är liten. När strålarna bringas mycket nära varandra (höger) blir värmeöverföringen nästan 100 gånger större än vad som förutspås av konventionella termiska strålningslagar. Upphovsman:Raphael St-Gelais, Lipson Nanophotonics Group, Columbia Engineering
Lipsons team kunde föra föremål vid olika temperaturer väldigt nära varandra - på avstånd mindre än 100 nanometer, eller 1/1 000 av diametern på en hårstrå. De kunde visa strålningsvärmeöverföring nära fältet mellan parallella SiC (kiselkarbid) nanobjälkar i den djupa subvåglängdsregimen. De använde ett högprecisionsmikroelektromekaniskt system (MEMS) för att styra avståndet mellan strålarna och utnyttjade den mekaniska stabiliteten hos nanobjälkar under hög dragspänning för att minimera termiska knäckeffekter, och därmed behålla kontrollen över nanometerskillnaden även vid stora termiska gradienter.
Med denna metod, laget kunde föra två parallella objekt vid olika temperaturer till avstånd så små som 42 nm utan att röra. I detta fall observerade de att värmeöverföringen mellan föremålen var nära 100 gånger starkare än vad som förutspås av konventionella termiska strålningslagar (dvs "svartkroppsstrålning"). De kunde upprepa detta experiment för temperaturskillnader så höga som 260oC (500oF) mellan de två föremålen. Sådan hög temperaturskillnad är särskilt viktig för energiomvandlingsapplikationer eftersom, i dessa fall, omvandlingseffektiviteten är alltid proportionell mot den termiska skillnaden mellan de varma och kalla föremålen.
"En viktig implikation av vårt arbete är att värmestrålning nu kan användas som en dominerande värmeöverföringsmekanism mellan objekt vid olika temperaturer, "förklarar Raphael St-Gelais, studiens huvudförfattare och postdoktor som arbetar med Lipson vid Columbia Engineering. "Det betyder att vi kan styra värmeflödet med många samma tekniker som vi har för att manipulera ljus. Det här är en stor sak eftersom det finns många intressanta saker vi kan göra med ljus, som att omvandla den till elektricitet med hjälp av solceller. "
St-Gelais och Linxiao Zhu, som var medförfattare till studien och är doktorand i Fans grupp i Stanford, Observera att lagets tillvägagångssätt kan skalas upp till ett större effektivt område genom att helt enkelt ställa in flera nanobjälkar - ovanpå en solcellscell, till exempel-och genom att individuellt styra deras förflyttning utanför planet med hjälp av MEMS-ställdon. Forskarna tittar nu på att tillämpa samma tillvägagångssätt för förskjutningskontroll med ultrahög precision, denna gång med en verklig solcellscell för att generera el direkt från värme.
"Det här är väldigt starkt, ingen kontakt, värmeöverföringskanal kan användas för att kontrollera temperaturen på känsliga nano -enheter som inte kan beröras, eller för mycket effektiv omvandling av värme till elektricitet genom att utstråla stora mängder värme från ett hett föremål till en solcell i dess extrema närhet, "Lipson tillägger." Och om vi kan skina en stor mängd värme i form av ljus från ett hett föremål till en fotovoltaisk cell, vi kan eventuellt skapa kompakta moduler för direkt konvertering av värme till elektrisk kraft. Dessa moduler kan användas inuti bilar, till exempel, för att konvertera spillvärme från förbränningsmotorn tillbaka till användbar elektrisk kraft. Vi kan också använda dem i våra hem för att generera el från alternativa energikällor som biobränslen och lagrad solenergi. "
