Um estudo inovador conduzido por pesquisadores da Universidade Nacional de Cingapura (NUS) revelou um método de uso de teorias de ondas da mecânica quântica para "travar" o calor em uma posição fixa.

Normalmente, uma fonte de calor se difunde através de um material condutor até que se dissipe, mas o professor associado Cheng-Wei Qiu do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Faculdade de Engenharia da NUS e sua equipe usaram o princípio da simetria do tempo anti-paridade (APT) para mostrar que é possível limitar o calor a um pequeno região de um anel de metal sem que se espalhe com o tempo.

No futuro, esse fenômeno recentemente demonstrado pode ser usado para controlar a difusão de calor de maneiras sofisticadas e otimizar a eficácia em sistemas que precisam de resfriamento. Os resultados do estudo foram publicados em 12 de abril de 2019 na revista Ciência .

Congelando a propagação do calor

"Imagine uma gota de tinta em um fluxo. Depois de um curto período de tempo, você veria a tinta se espalhar e fluir na direção da corrente. Agora imagine se essa gota de tinta permanecesse do mesmo tamanho e na mesma posição da água fluiu em torno dele. Efetivamente, isso é o que conseguimos com a propagação do calor em nosso experimento, "explicou Assoc Prof Qiu.

A configuração experimental deste estudo é de dois anéis de metal em rotação oposta, ensanduichado com uma fina camada de graxa. O movimento de rotação dos anéis atua como o fluxo do riacho no cenário. Quando o calor é injetado em um ponto do sistema, a energia térmica é capaz de permanecer na posição porque um anel giratório é acoplado ao anel contra-giratório pelos princípios da simetria APT.

As condições desta experiência são bastante precisas para que tenha sucesso. "Da teoria da mecânica quântica, você pode calcular a velocidade necessária para os anéis. Muito lento ou muito rápido, e voce vai quebrar a condicao, "disse Assoc Prof Qiu. Quando as condições forem quebradas, o sistema atua de maneira convencional, e o calor é transportado à medida que o anel gira.

Contrariando a tendência

Aplicar os princípios da simetria APT a sistemas envolvendo calor é um afastamento completo da atual escola de pensamento nesta área. "É drasticamente diferente dos tópicos de pesquisa populares atualmente. Nesse campo, muitos grupos estão trabalhando em configurações de simetria de tempo de paridade (PT), e quase todos estão olhando para a mecânica das ondas. Esta é a primeira vez que alguém sai do domínio das ondas, e mostrado que a simetria APT é aplicável a sistemas baseados em difusão, como calor, "afirmou Assoc Prof Qiu.

Esta demonstração de uma área fixa de calor dentro do metal em movimento parece contra-intuitiva, como admite o Prof Qiu, "Antes deste estudo, as pessoas realmente pensaram que esta era uma área proibida, mas podemos explicar tudo isso. Não viola nenhuma lei da física. "Na realidade, a razão pela qual Assoc Prof Qiu e sua equipe foram capazes de controlar o calor foi introduzindo um grau extra de liberdade em sua engenhosa configuração experimental - a rotação dos anéis

"Para que a simetria APT se torne significativa em um sistema, deve haver algum elemento de perda e ganho dentro da configuração - e eles precisam ser equilibrados. Em um sistema de difusão térmica tradicional, A simetria APT não é consequente porque não há ganho ou perda de grau de liberdade. Portanto, a rotação mecânica é o principal jogador aqui, " ele explicou.

Aplicativos potenciais e próximas etapas

Muitas tecnologias modernas requerem a remoção eficiente de calor. Configurações mecânicas como motores, assim como os componentes computacionais e elétricos precisam ser resfriados de forma eficaz. Atualmente, a maioria das tecnologias é resfriada com um fluxo constante de líquido para retirar o calor por convecção.

"Este experimento mostra que precisamos ter mais cuidado ao determinar a taxa de fluxo e design desses sistemas, "Assoc Prof Qiu afirmou. Embora sua configuração experimental contivesse anéis de metal em contra-rotação, o mesmo princípio pode ser aplicado a outras configurações em fluxo. "A percepção é que a circulação vai tirar o calor simplesmente, mas nem sempre é necessariamente tão simples, " ele adicionou.

Próximo, a equipe está tentando aumentar o tamanho de seu experimento. "No momento, nossa configuração está na faixa de centímetros, portanto, queremos dimensioná-lo para o tamanho de motores ou sistemas de engrenagens reais. Os sistemas de engrenagens costumam ter mecanismos de contra-rotação semelhantes que irão gerar calor, portanto, desejamos aplicar a teoria para dissipar esse calor de forma mais eficiente, "Assoc Prof Qiu disse.