En un nuevo estudio publicado recientemente en Nanotecnología de la naturaleza , investigadores de Columbia Engineering, Cornell, y Stanford han demostrado que la transferencia de calor se puede hacer 100 veces más fuerte de lo que se había predicho, simplemente acercando dos objetos extremadamente cerca, a distancias de nanoescala, sin tocarlos. Dirigido por Michal Lipson de Columbia Engineering y Shanhui Fan de Stanford Engineering, El equipo utilizó controladores de desplazamiento micromecánicos de ultra alta precisión hechos a medida para lograr la transferencia de calor utilizando luz en la mayor magnitud registrada hasta la fecha entre dos objetos paralelos.

"Con separaciones tan pequeñas como 40 nanómetros, logramos una mejora de casi 100 veces la transferencia de calor en comparación con las predicciones clásicas, "dice Lipson, Eugene Higgins Catedrático de Ingeniería Eléctrica y profesor de física aplicada. "Esto es muy emocionante, ya que significa que la luz ahora podría convertirse en un canal de transferencia de calor dominante entre objetos que generalmente intercambian calor principalmente por conducción o convección. Y, mientras que otros equipos han demostrado la transferencia de calor utilizando luz a nanoescala antes, somos los primeros en alcanzar rendimientos que podrían usarse para aplicaciones energéticas, como convertir directamente el calor en electricidad utilizando células fotovoltaicas ".

Todos los objetos de nuestro entorno intercambian calor con su entorno mediante la luz. Esto incluye la luz que nos llega del sol, el color rojo brillante del elemento calefactor dentro de nuestros hornos tostadores, o las cámaras de "visión nocturna" que permiten la grabación de imágenes incluso en completa oscuridad. Pero el intercambio de calor con luz suele ser muy débil en comparación con lo que se puede lograr por conducción (es decir, simplemente poniendo dos objetos en contacto entre sí) o por convección (es decir, usando aire caliente). Transferencia de calor radiante a distancias nanométricas, mientras se teoriza, Ha sido especialmente difícil de lograr debido a la dificultad de mantener grandes gradientes térmicos en distancias de escala nanométrica mientras se evitan otros mecanismos de transferencia de calor como la conducción.

El equipo de Lipson pudo acercar objetos a diferentes temperaturas entre sí, a distancias inferiores a 100 nanómetros, o 1/1000 del diámetro de una hebra de cabello humano. Pudieron demostrar la transferencia de calor radiativo de campo cercano entre nanohaces de SiC (carburo de silicio) paralelos en el régimen de sub-longitud de onda profunda. Utilizaron un sistema microelectromecánico de alta precisión (MEMS) para controlar la distancia entre los haces y explotaron la estabilidad mecánica de los nanohaces bajo alta tensión de tracción para minimizar los efectos de pandeo térmico. manteniendo así el control de la separación a escala nanométrica incluso en grandes gradientes térmicos.

Usando este enfoque, el equipo pudo llevar dos objetos paralelos a diferentes temperaturas a distancias tan pequeñas como 42 nm sin tocarse. En este caso, observaron que la transferencia de calor entre los objetos era cerca de 100 veces más fuerte que lo predicho por las leyes de radiación térmica convencionales (es decir, "radiación de cuerpo negro"). Pudieron repetir este experimento para diferencias de temperatura de hasta 260 ° C (500 ° F) entre los dos objetos. Esta alta diferencia de temperatura es especialmente importante para las aplicaciones de conversión de energía ya que, en estos casos, la eficiencia de conversión es siempre proporcional a la diferencia térmica entre los objetos calientes y fríos involucrados.

"Una implicación importante de nuestro trabajo es que la radiación térmica ahora se puede utilizar como un mecanismo de transferencia de calor dominante entre objetos a diferentes temperaturas, "explica Raphael St-Gelais, autor principal del estudio y becario postdoctoral que trabaja con Lipson en Columbia Engineering. "Esto significa que podemos controlar el flujo de calor con muchas de las mismas técnicas que tenemos para manipular la luz. Esto es un gran problema ya que hay muchas cosas interesantes que podemos hacer con la luz, como convertirlo en electricidad mediante células fotovoltaicas ".

St-Gelais y Linxiao Zhu, quien fue coautor del estudio y es candidato a doctorado en el grupo de Fan en Stanford, tenga en cuenta que el enfoque del equipo se puede escalar a un área efectiva más grande simplemente colocando varios nanohaces, encima de una celda fotovoltaica, por ejemplo, y controlando individualmente su desplazamiento fuera del plano utilizando actuadores MEMS. Los investigadores ahora están buscando aplicar su mismo enfoque para el control de desplazamiento de ultra alta precisión, esta vez con una celda fotovoltaica real para generar electricidad directamente a partir del calor.

"Esta muy fuerte, sin contacto, El canal de transferencia de calor podría usarse para controlar la temperatura de delicados dispositivos nano que no se pueden tocar, o para convertir de manera muy eficiente el calor en electricidad irradiando grandes cantidades de calor desde un objeto caliente a una celda fotovoltaica en su proximidad extrema, "Agrega Lipson." Y si podemos hacer brillar una gran cantidad de calor en forma de luz desde un objeto caliente a una celda fotovoltaica, potencialmente podríamos crear módulos compactos para la conversión directa de calor en energía eléctrica. Estos módulos se pueden utilizar en el interior de los coches, por ejemplo, para convertir el calor desperdiciado del motor de combustión en energía eléctrica útil. También podríamos usarlos en nuestros hogares para generar electricidad a partir de fuentes de energía alternativas como los biocombustibles y la energía solar almacenada ".