卡内基梅隆大学的研究人员与斯坦福大学及普渡大学的合作者合作，现已展示了一种在纳米尺度控制热量的强大新方法。他们的发现发表在《自然》杂志上，提供了强有力的实验证据，证明利用专门设计的超材料可以有意设计并显著增强热传递。
热量如何跨越微小间隙传递
该研究聚焦于一种被称为近场辐射热传递的现象。当两个物体被极小的距离（仅几百纳米）隔开时，热量在它们之间的传递效率要比普通条件下高得多。
热能不再仅仅是向外辐射，而是可以通过电磁波有效地隧穿过狭窄的间隙。这一过程使得从一个物体流向另一个物体的热量远超通常预期。
科学家们多年来一直理解这一效应，但如何在实验上演示显著增强该效应一直是个挑战。
超材料促进热传递
为了实现这一点，研究人员求助于超材料，这是一种包含微观重复结构的人工设计材料，旨在以高度受控的方式与能量相互作用。
“与常规材料不同，超材料由微小的重复图案构建而成，能以精确的方式与能量相互作用，”卡内基梅隆大学机械工程教授、该研究资深作者Sheng Shen说道。“我们在薄膜上制备了图案化的微观金结构，并将它们面对面放置，中间隔着纳米级间隙。与没有超材料的类似装置相比，这将热传递增加了多达四倍，这远超传统物理学在较大距离下的预测。”
团队的实验表明，这种图案化金结构显著增加了跨越间隙传递的热量，实现的热传递速率比缺乏这种工程图案的同类系统高出四倍。
该效应背后的科学原理
这种增强不仅仅是增加了热量传递路径的结果。
“金结构不仅仅是增加了热量的路径，而是与材料中自然存在的能量波（即表面声子极化激元）相互作用，产生了共振效应，”沈教授研究小组的博士生、该研究共同第一作者Zexiao Wang说道。“这些耦合振动使能量能够更自由、更高效地跨越间隙移动。”
据研究人员介绍，这种效应的出现是因为微观结构与材料的自然能量波协同作用。
“这是一种协同效应，”Shen说。“结构和材料相互放大。”
在电子和能源领域的潜在应用
这一发现可能具有重要的实际用途。随着电子设备变得更小、更强大，去除多余热量已成为最重大的工程挑战之一。
能够更有效地引导和控制热量，可能会为计算机芯片和其他高性能电子系统带来改进的冷却方法。
这些发现也可能造福能源技术。被称为热光伏的系统通过将热辐射转化为可用电力，利用热量发电。提高热辐射传递的效率有助于使这些技术更具可行性。
此外，涉及红外传感的应用可以从更强、更精确控制的热信号中受益。潜在用途范围从环境监测到国家安全。
迈向热量工程化的一步
尽管实验是在精心控制的实验室条件下进行的，且目前仅限于纳米级系统，但这项工作代表了从理论预测到现实演示的重要进步。
“如果热量能像电或光一样被精确地工程化，它可能为新一代技术打开大门，这些技术不仅是为耐受热量而构建，更是为了利用热量，”Shen说。
这项工作得到了国防威胁降低局、国家科学基金会和空军科学研究局的支持。Sheng Shen和Shanhui Fan是通讯作者。Zexiao Wang、Renwen Yu和Hakan Salihoglu对这项工作贡献相同。