Nanoenheter förändrar hur vi diagnostiserar sjukdomar, bearbetar mat och vatten och lagrar förnybar energi. Men för att hänga med i nästa generations teknik måste forskare förstå de grundläggande principerna som föranleder deras funktionalitet.
Inom fysiken beskriver Plancks lag hur mycket värme som kan överföras mellan två föremål när storleken på gapet mellan föremålen är större än den termiska våglängden, som är cirka 10 mikrometer vid rumstemperatur. Tidigare forskning av Sheng Shen, professor i maskinteknik, fann att Plancks lag kan brytas på nanoskala – när objekt är närmare varandra överstiger energiutsläppen förväntningarna.
Nu, efter år av försök och misstag, har Shens labb tillverkat ett avancerat instrument för att samla in den första nanoenhetsaktiverade termiska mätningen i närområdet. Deras resultat avslöjar helt ny insikt om energitransportfysik inom nanoenheter – en hörnsten mot nanoenhetstillämpningar för energiomvandling och skörd.
"Vi ville tänja på gränsen", säger Sheng Shen, professor i maskinteknik. "Kan vi göra både gapet OCH objektet mindre för att bättre förstå värmeöverföringen på nanoskala?"
För att utforska detta, Xiao Luo, Ph.D. Kandidat inom maskinteknik, specialbyggde en ny nanoenhetsplattform med suspenderad värmetermometri för att rapportera den första mätningen av närfältsvärmestrålning mellan två sub-våglängdsstrukturer.
"Jag övervann många tillverkningssvårigheter inklusive kontaminering, trasiga enheter och membran som fastnade i varandra," sa Luo. "Hela idén är att två små membran ska vara perfekt i linje med varandra utan störningar från något annat föremål som också kan överföra värme."
Luo använde kemisk etsning för att suspendera de två membranen, ett med en långstrålesensor för att övervaka värmeabsorptionen, genom att ta bort det mesta av substratet. Han mätte sedan den termiska strålningen mellan enheterna vid en mängd olika gapavstånd från ungefär 150 nm till 750 nm.
Jämfört med teoretisk svartkroppsstrålning visade teamet en 20-faldig förbättring av värmeöverföringen mellan två subvåglängdsytor med ett separationsgap på 150 nm.
"Det överraskande är att hela historien inte kretsar kring gapstorleken som vi tidigare trott", sa Shen. "När vi gjorde objektet mindre än våglängden förstärktes inte värmestrålningen så mycket som förväntat baserat på teorin för två stora objekt. Forskare måste analysera både strukturen och den underliggande fysiken för att förstå detta fenomen."
Luo och teamet validerade sina resultat med hjälp av en beräkningssimulering.
Shen tror att det kommer att ta ytterligare 10 till 20 år innan konsumenterna ser en konkret produkt utvecklad med denna grundläggande fysik i åtanke, men är säker på dess värde för värmeteknik och fotonik.
Verket publiceras i tidskriften Nano Letters .
Mer information: Xiao Luo et al, Observation of Near-Field Thermal Radiation between Coplanar Nanodevices with Subwavelength Dimensions, Nano Letters (2024). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c03748
Tillhandahålls av Carnegie Mellon University Mechanical Engineering
