Op nanoschaal warmen objecten elkaar soms wel 10.000 keer sneller op dan we gewend zijn. Theoretici vermoedden dat allang maar het is nu voor het eerst echt gemeten, schrijven Amerikaanse en Spaanse onderzoekers op de website van Nature.

Het heeft ingrijpende gevolgen voor de warmtehuishuiding in nano-applicaties, en de kunst is uiteraard om er van te profiteren.

Je hebt het hier over warmtestraling die de kloof tussen twee deeltjes moet oversteken. Die straling gaat in alle gevallen met de lichtsnelheid, dus dáár ligt het niet aan. Maar als de oppervlakken dichter bij elkaar komen dan een nanometer of tien, gaan hun evanescente velden elkaar een beetje overlappen. En dankzij zulke ‘fluctuational electrodynamics’ wordt de warmte-overdracht ineens vele malen efficiënter dan de klassieke theorie van Planck voorspelt.

Uiteraard is het verschil afhankelijk van de details van het evanescente veld, en dus van de gebruikte materialen. Bij goud blijkt het effect bijvoorbeeld veel minder sterk dan bij siliciumdioxide.

De auteurs wisten het te meten met wat ze ‘scanning thermal microscopy’ noemen, met tastnaalden die op een hoogte van minimaal 2 nm over een verwarmd oppervlak scheren. Die naalden bouwden ze laag voor laag op uit verschillende metalen, met vlakbij de punt een combinatie (Au-Cr) die werkt als thermokoppel. Zo kun je volgen hoe snel de tip opwarmt als functie van de afstand tot het oppervlak.

Hierbij werd dankbaar gebruik gemaakt van een extreem trillingsvrij kamer in het recent gerenoveerde G.G.Brown-lab van de universiteit van Michigan.

Eerdere pogingen om op dermate korte afstanden te meten gaven wisselende resultaten te zien. Het leek er soms op dat er meer effecten mee moesten spelen waar de fysica nog geen notie van had. Maar dit keer komen de meetresultaten erg goed overeen met het door de auteurs gehanteerde theoretische model op basis van ‘fluctuational electrodynamics’.

De conclusie luidt dan ook dat dat model voldoende moet zijn om nano-warmteoverdracht te voorspellen op de tekentafel. Ingenieurs, doe er uw voordeel mee.

bron: University of Michigan