Alla har suttit ute en solig dag och blivit värmda av solens strålar. Detta sker genom en process som kallas strålningsvärmeöverföring:solen avger ljus (elektromagnetisk strålning), som reser till jorden och värmer upp de föremål som absorberar den. Strålningsvärmeöverföring är också mekanismen bakom värmekameror.

Varje hett föremål, inklusive människor, avger ljus, så att den avger värme och termaliserar till miljön. Våglängderna, eller ljusfärger som sänds ut, beror på objektets temperatur, med solen som är tillräckligt varm för att producera synligt ljus och människokroppar som avger ljus som inte är synligt för ögat men som kan fångas upp av infraröda sensorer.

För makroskopiska föremål, strålningsvärmeöverföring beskrivs exakt av den välkända Plancks lag om strålning från den svarta kroppen, vanligen ses i grundutbildningen i fysik. När storleken på ett föremål närmar sig nanoskalan, dock, Plancks lag gäller inte längre. I denna skala, hundratals till tusentals gånger mindre än tjockleken på ett människohår, strålningsutbytet av värme kan vara många gånger effektivare än på makroskalan.

Styrning av strålningsvärmeöverföring i nanoskala kan möjliggöra utvecklingen av ett brett spektrum av applikationer. Ett exempel är fotovoltaik, en teknik som försöker omvandla spillvärme som produceras, till exempel, av motorer och fabriker till användbar el. En annan applikation involverar kylning av de elektroniska komponenterna i mikrochips, vars storlekar redan har nått nanoskalan. Förbättrade termiska hanteringstekniker för dessa enheter kan hjälpa till att förhindra att datorer överhettas och underlätta utvecklingen av chips med fler transistorer.

Inspirerad av detta stora löfte, forskare från University of New Mexico, Los Alamos National Laboratory (LANL), och Institute of Optics i Spanien har publicerat en studie som ger ny insikt i hur samlingar av nanopartiklar strålande utbyter värme med varandra och sin miljö. Deras arbete, titeln "Near-Field Radiative Heat Transfer Eigenmodes" publicerades i tidskriften Fysiska granskningsbrev nyligen.

Före detta arbete, forskare visste hur man beräknar termaliseringsdynamiken för arrangemang av nanopartiklar, men beräkningarna kräver betydande beräkningsresurser som blir oöverkomliga även för system med ett dussin partiklar. I den här studien, ledd av Alejandro Manjavacas i samarbete med Diego Dalvit och Wilton Kort-Kamp från LANL, forskarna har utvecklat ett teoretiskt ramverk som möjliggör en effektiv och enkel beskrivning av termaliseringsdynamiken i system med till och med tusentals nanopartiklar.

"Vår metod ger ett elegant och effektivt tillvägagångssätt för att lösa problem som har funnits ett tag, sa Manjavacas.

Forskarnas teoretiska ramverk bryter ner den strålningsvärmeöverföringsdynamiken med hjälp av enkla matematiska tekniker som man skulle stöta på i en linjär algebraklass på grundutbildningen. Genom att göra så, de kunde inte bara studera termaliseringen av stora och komplicerade system, men också avslöja fysisk insikt som presenterar sig på oväntade sätt.

Till exempel, laget fann att, när ett arrangemang av nanopartiklar har en viss mängd värme initialt lagrad i sig, systemet kommer att närma sig temperaturen i sin omgivning på samma sätt, oavsett vilka partiklar som är heta. I kontrast, om den totala värmen initialt i ett system är noll, som när en nanopartikel är varmare än miljön och en annan är kallare, systemet når termisk jämvikt snabbare än någon temperaturfördelning med viss initial värme. Detta gäller även om det senare fallet kräver en mycket mindre temperaturförändring än det förra.

Ett annat intressant beteende som författarna beskrev involverar en oscillerande utveckling av temperaturen hos en nanopartikel när den termaliseras till miljön:under termaliseringens gång, nanopartikeln kyls ner och värms upp flera gånger, även om miljön alltid håller samma temperatur.

"Jag tyckte att det här projektet var mycket spännande eftersom det involverar tillämpningen av grundläggande men eleganta matematiska begrepp på ett toppmodernt fysikproblem, " sa huvudförfattaren till tidningen, Stephen Sanders, som snart tar examen från UNM med sin Ph.D. i fysik med planer på att flytta till Rice University som Rice Academy Fellow.

En annan doktorand som är involverad i tidningen, Lauren Zundel, som är doktorandstipendiat vid Institutionen för energiberäkningsvetenskap, säger, "Det var fantastiskt att använda det jag har lärt mig om beräkningsvetenskap för att lösa ett problem som detta."