傳熱意外可能導致熱晶體管

密歇根大學和威廉瑪麗學院的研究人員在“自然”雜志上報告說，標準輻射理論預測的熱量可能比兩個納米級物體之間的高100倍，即使在大于納米級的距離。

新的結果可能會對更好的太陽能電池產(chǎn)生影響，這些材料的行為類似于熱流的單向閥，甚至可能是基于熱量的計算平臺。

實驗室里的一個謎

1900年提出的馬克斯·普朗克的輻射理論為量子力學奠定了基礎，并在整個世紀中保持良好狀態(tài)。但是五年前，UM機械工程教授Pramod Reddy實驗室的一個微觀結構正在讓彼此絕緣的物體之間產(chǎn)生驚人數(shù)量的熱量流動。

“我們很長時間都無法找出原因。似乎我們基于標準普朗克理論的計算無法解釋我們觀察到的情況，“該研究的第一作者Dakotah Thompson說，他當時是Reddy實驗室的新研究生。

“普拉莫德和我對學生的問題是，'你確定你計算得對嗎?'”密歇根大學機械工程教授，資深作者Edgar Meyhofer說。

但他們有。它成了湯普森的使命，了解發(fā)生了什么。

兩個物體之間的熱流率有一個限制，取決于物體的大小，彼此面對的表面，它們的溫度以及它們之間的距離等細節(jié)。熱量在物體之間作為電磁波傳播，例如紅外輻射和可見光。

此前，Reddy和Meyhofer領導的一項研究表明，在由納米級間隙分開的物體之間，熱量的傳播速度比預期的快10,000倍 - 小于輻射的主波長 - 但是在較大的分離時，該機制不會起作用。

在非常薄的板中，熱量從邊緣射出

在Meyhofer和Reddy的指導下，湯普森設計了一系列實驗來探索意外的觀察結果。從一開始，他們就懷疑它與物體的厚度有關。

為了說明這個概念，雷迪從他的錢包里制作了兩張卡片，一張放在他的手掌上，另一張放在他的手指上，兩者之間有間隙。Thompson在Lurie Nanofabrication Facility工作了幾個月，制作了與卡片相似的成對半導體板，但長度和寬度都要小一千倍。矩形板的厚度在10,000納米(0.01毫米)至270納米之間。他將這些懸掛在非常窄的橫梁上，比人的頭發(fā)薄了一百倍。

在信用卡的大小和形狀的物體中，熱量通常從六個側面中的每一個輻射，與表面區(qū)域成比例。但研究小組發(fā)現(xiàn)，當結構非常薄時 - 最薄，約為綠光波長的一半 - 這些邊緣釋放并吸收的熱量遠遠超過預期。

憑借實驗結果，湯普森與Meyhofer和Reddy實驗室的博士后研究員Linxiao Zhu密切合作。朱建立了兩個薄板的詳細數(shù)學模型和控制這些結構之間傳熱的物理學。

經(jīng)過多個小時在超級計算機上運行模型后，朱的結果證實，由于波浪在非常薄的板塊中移動的方式，熱流量增加了100倍。由于波浪平行于板的較長尺寸，因此熱量從邊緣射出。在吸收能量的相同板中，同樣的概念在起作用。

“當我們模擬板塊如何發(fā)射和吸收熱輻射時，就好像它們的邊緣要厚得多，”朱說。

結果可以實現(xiàn)什么

雖然在微觀尺度和更小尺寸上效果最強，但納米技術的新興領域可能意味著我們將在設備中看到這種新想法。

“你可能以新的方式控制熱量，因為我們已經(jīng)確定了傳熱的機制，”雷迪說。

該團隊提出的示例包括以類似于電子管理電子的方式控制熱流，為下一代計算機和二極管(如單向閥)制作熱晶體管。例如，未來的建筑材料可以在涼爽的夏季夜晚散熱，但在冬季保持不變。太陽能電池可以利用太陽光譜中未轉換為電能用于其他目的的部分。例如，屋頂裝置可以將這種損失的能量傳遞給熱水。

Reddy警告說，基于熱量的計算設備將比電子版本更慢更大，但他認為在某些情況下可能更為可取，例如傳統(tǒng)電子設備損壞的高溫環(huán)境。