En física, la Ley de Planck describe cuánto calor se puede transferir entre dos objetos cuando el tamaño del espacio entre los objetos es mayor que la longitud de onda térmica, que es de aproximadamente 10 micrómetros a temperatura ambiente. Investigaciones anteriores realizadas por Sheng Shen, profesor de Ingeniería Mecánica, descubrieron que la Ley de Planck se puede romper en la nanoescala:cuando los objetos están más juntos, la emisión de energía supera las expectativas.

Ahora, después de años de prueba y error, el laboratorio de Shen ha fabricado un instrumento avanzado para recopilar la primera medición térmica de campo cercano habilitada por nanodispositivo. Sus hallazgos revelan una visión completamente nueva de la física del transporte de energía dentro de los nanodispositivos, una piedra angular hacia las aplicaciones de los nanodispositivos para la conversión y recolección de energía.

"Queríamos superar el límite", afirmó Sheng Shen, profesor de Ingeniería Mecánica. "¿Podemos reducir tanto el espacio como el objeto para comprender mejor la transferencia de calor a nanoescala?"

Para explorar esto, Xiao Luo, Ph.D. Candidato en Ingeniería Mecánica, construyó a medida una novedosa plataforma de nanodispositivo con termometría de calentamiento suspendida para informar la primera medición de radiación térmica de campo cercano entre dos estructuras de sublongitud de onda.

"Superé muchas dificultades de fabricación, incluida la contaminación, los dispositivos rotos y las membranas que se pegaban entre sí", dijo Luo. "La idea es que dos membranas diminutas estén perfectamente alineadas entre sí sin interferencias de ningún otro objeto que también pueda transferir calor".

Luo utilizó grabado químico para suspender las dos membranas, una con un sensor de haz largo para monitorear la absorción de calor, eliminando la mayor parte del sustrato. Luego midió la radiación térmica entre los dispositivos en una variedad de distancias que van desde aproximadamente 150 nm a 750 nm.

En comparación con la radiación teórica del cuerpo negro, el equipo demostró una mejora 20 veces mayor en la transferencia de calor entre dos superficies de sublongitud de onda con una separación de 150 nm.

"Lo sorprendente es que toda la historia no gira en torno al tamaño de la brecha como pensábamos anteriormente", dijo Shen. "Cuando hicimos el objeto más pequeño que la longitud de onda, la radiación térmica no aumentó tanto como se esperaba según la teoría para dos objetos grandes. Los investigadores deben analizar tanto la estructura como la física subyacente para comprender este fenómeno".

Luo y su equipo validaron sus hallazgos mediante una simulación computacional.

Shen cree que pasarán otros 10 o 20 años antes de que los consumidores vean un producto tangible desarrollado teniendo en cuenta esta física fundamental, pero confía en su valor para la ingeniería térmica y la fotónica.

El trabajo está publicado en la revista Nano Letters .