2D-теплообмен. Как ускорить передачу энергии

Международная группа учёных-физиков обнаружила явление сверхбыстрого теплопереноса между наноструктурами. Результаты её исследований опубликованы в журнале Nature.

Оказалось, что для нанообъектов классический закон Макса Планка о радиационном теплопереносе не работает. Напомним читателям, что немецкий физик-теоретик Макс Планк первым предложил рассматривать поглощение и излучение света как качание своего рода маятника, переносящего дискретные количества энергии. Эти количества, названные квантами, легли в основу квантовой физики. Из модели «маятника» Планк вывел закон о радиационном теплообмене.

Американские физики экспериментально создали условия, в которых расстояние между приёмником и излучателем меньше длины волны излучения. Для этого ученые использовали пластины из нитрида кремния размерами порядка 10x10x1 мкм, подвешенные на тончайших нитях. На поверхностях пластин были сформированы платиновые проводники, используемые для нагрева и измерения температуры. Нагревая одну пластину и измеряя температуры обеих, учёные смогли определить, с какой скоростью происходит передача тепла между ними.

Выяснилось, что в близком поле теплопередача может протекать на два-четыре порядка интенсивнее, чем получается по формуле Планка. При этом пластины своими торцами излучают и поглощают тепло гораздо быстрее, чем основной поверхностью. Учёные предположили, что открытый эффект может найти применение в процессорах будущего, нуждающихся в хорошем охлаждении.

Последующие эксперименты показали, что эффект сохраняется при разнесении наноприёмников и наноизлучателей тепла на большие расстояния (то есть в дальнем поле): поток энергии на два порядка превосходит расчётный. То есть двухмерные структуры (например, листы графена) оказались в лучистом теплообмене намного эффективнее трёхмерных. Этот эффект уже применим в энергетике и на транспорте, например, для построения термоэлектрических преобразователей.