Cuando el calor viaja entre dos objetos que no se tocan, fluye de manera diferente a las escalas más pequeñas:distancias del orden del diámetro del ADN, o 1/50, 000 de un cabello humano.

Si bien los investigadores han sido conscientes de esto durante décadas, no han entendido el proceso. El flujo de calor a menudo debe evitarse o aprovecharse y la falta de una forma precisa de predecirlo representa un cuello de botella en el desarrollo de la nanotecnología.

Ahora, en un laboratorio de vibración ultrabaja único en la Universidad de Michigan, Los ingenieros han medido cómo se irradia el calor de una superficie a otra en el vacío a distancias de hasta 2 nanómetros.

Mientras que la energía térmica todavía fluye del lugar más cálido al más frío, los investigadores encontraron que lo hace 10, 000 veces más rápido de lo que sería en la escala de, decir, una hoguera y un par de manos heladas. "Más rápido" aquí se refiere a la velocidad a la que la temperatura de una muestra cambia la temperatura de la otra, y no a la velocidad a la que viaja el calor. El calor es una forma de radiación electromagnética, por lo que se mueve a la velocidad de la luz. Lo que es diferente a nanoescala es la eficiencia del proceso.

"Hemos mostrado, por primera vez, las dramáticas mejoras de los flujos de calor radiativo en el campo cercano extremo, "dijo Pramod Reddy, profesor asociado de ingeniería mecánica y ciencia e ingeniería de materiales. "Nuestros experimentos y cálculos implican que el calor fluye varios órdenes de magnitud más rápido en estos espacios ultra pequeños".

Reddy y Edgar Meyhofer, profesor de ingeniería mecánica e ingeniería biomédica, dirigió el trabajo. Un artículo sobre los hallazgos se publicó recientemente en línea en Naturaleza .

Los hallazgos tienen aplicaciones en toda la nanotecnología. Podrían avanzar en el almacenamiento de información de próxima generación, como la grabación magnética asistida por calor. Podrían impulsar dispositivos que conviertan más directamente el calor en electricidad, incluido el calor generado en automóviles y naves espaciales que ahora se está desperdiciando. Esos son solo algunos usos potenciales.

El fenómeno que estudiaron los investigadores es el "calor radiativo":la radiación electromagnética, o luz, que emite toda la materia por encima del cero absoluto. Es la emisión de la energía interna de la materia a partir del movimiento de partículas en la materia, movimiento que solo ocurre por encima del cero absoluto.

Los científicos pueden explicar cómo sucede esto a distancias macroscópicas, dimensiones que podemos percibir fácilmente en el mundo que nos rodea, hasta algunos que no podemos ver. Hace más de 100 años, el físico alemán Max Planck escribió las ecuaciones que lo hacen posible. Su modelo describe con precisión la transferencia de calor a través de huecos grandes a relativamente pequeños, alcanzando los 10 micrómetros a temperatura ambiente. Pero cuando la brecha se vuelve tan estrecha, casi no existe, las ecuaciones se rompen.

A mediados del siglo pasado, el radiofísico ruso Sergei Rytov propuso una nueva teoría llamada "electrodinámica fluctuante" para describir la transferencia de calor a distancias inferiores a 10 micrómetros. Desde entonces, la investigación no siempre ha dado lugar a pruebas que la respalden.

"Hubo experimentos en la década de 1990 o principios de la de 2000 que intentaron probar estas ideas más a fondo y encontraron grandes discrepancias entre lo que predeciría la teoría y lo que revelaron los experimentos, "Dijo Meyhofer.

Debido a la sofisticación del laboratorio U-M, los investigadores dicen que sus hallazgos cierran el caso, y Rytov tenía razón.

"Nuestro trabajo, realizado en colaboración con los compañeros el profesor Juan Carlos Cuevas y el profesor Francisco García-Vidal de la Universidad Autónoma de Madrid, resuelve una controversia importante y representa una contribución clave al campo de la transferencia de calor, ", Dijo Reddy." Estos resultados refutan el dogma actual en la transferencia de calor a nanoescala, que sostiene que la transferencia de calor radiativo en espacios de tamaño nanométrico de un solo dígito no puede explicarse con la teoría existente ".

La instalación que utilizaron los investigadores es una cámara de vibración ultrabaja en los laboratorios G. G. Brown, Complejo de ingeniería mecánica recientemente renovado de la universidad. La cámara, una de varias, fue diseñada a medida para realizar experimentos a nanoescala tan precisos que los simples pasos podrían perturbarlos si se realizaran en otro lugar. Las habitaciones pueden soportar vibraciones del exterior, como el tráfico, y dentro, como los sistemas de calefacción y refrigeración. También limitan el ruido acústico, variaciones de temperatura y humedad, así como radiofrecuencia e interferencias magnéticas.

"Nuestras instalaciones representan el verdadero estado de la técnica, "Dijo Meyhofer." Al crear espacios a nanoescala como los requeridos para nuestros experimentos de radiación de calor a nanoescala, la más mínima perturbación puede arruinar un experimento ".

En la cámara Los investigadores utilizaron "sondas de microscopía térmica de barrido" personalizadas que les permitieron estudiar directamente qué tan rápido fluye el calor entre dos superficies de sílice. nitruro de silicio y oro. Los investigadores eligieron estos materiales porque se usan comúnmente en nanotecnología.

Para cada material, they designated one sample that would be heated to 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, los investigadores descubrieron, 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."