Condução e radiação térmica são duas maneiras pelas quais o calor é transferido de um objeto para outro:Condução é o processo pelo qual o calor flui entre objetos em contato físico, como um bule de chá em um fogão quente, enquanto a radiação térmica descreve o fluxo de calor em grandes distâncias, como o calor emitido pelo sol.

Esses dois processos fundamentais de transferência de calor explicam como a energia se move através de distâncias microscópicas e macroscópicas. Mas tem sido difícil para os pesquisadores determinar como o calor flui através das lacunas intermediárias.

Agora, pesquisadores do MIT, a Universidade de Oklahoma, e a Rutgers University desenvolveram um modelo que explica como o calor flui entre objetos separados por lacunas de menos de um nanômetro. A equipe desenvolveu uma estrutura unificada que calcula o transporte de calor em lacunas finitas, e mostrou que o fluxo de calor a distâncias sub-nanométricas não ocorre por meio de radiação ou condução, mas por meio de "tunelamento de fônon".

Fônons representam unidades de energia produzidas por átomos em vibração em uma rede de cristal. Por exemplo, um único cristal de sal de cozinha contém átomos de sódio e cloreto, dispostos em um padrão de rede. Juntos, os átomos vibram, criando ondas mecânicas que podem transportar calor através da rede.

Normalmente essas ondas, ou fonões, só são capazes de transportar calor para dentro, e não entre, materiais. Contudo, a nova pesquisa mostra que os fônons podem alcançar uma lacuna tão pequena quanto um nanômetro, "tunelamento" de um material para outro para melhorar o transporte de calor.

Os pesquisadores acreditam que o tunelamento de fônons explica a mecânica física do transporte de energia nesta escala, que não pode ser claramente atribuída à condução ou radiação.

“Isso está certo no regime em que a linguagem da condução e da radiação é confusa, "diz Vazrik Chiloyan, um estudante de graduação do MIT em engenharia mecânica. "Estamos tentando chegar a uma imagem clara do que é a física neste regime. Agora reunimos informações para demonstrar que o tunelamento é, na verdade, o que está acontecendo com a imagem de transferência de calor. "

Chiloyan e Gang Chen, o Professor Carl Richard Soderberg de Engenharia de Energia e chefe do Departamento de Engenharia Mecânica do MIT, publicar seus resultados esta semana em Nature Communications .

Limpando a imagem térmica

Nas últimas décadas, pesquisadores tentaram definir o transporte de calor em distâncias cada vez menores. Vários grupos, incluindo Chen, mediram experimentalmente o fluxo de calor por radiação térmica em lacunas tão pequenas quanto dezenas de nanômetros. Contudo, à medida que os experimentos se movem para espaçamentos ainda menores, pesquisadores questionaram a validade das teorias atuais:os modelos existentes foram amplamente baseados em teorias para a radiação térmica que Chiloyan diz "borrou os detalhes atômicos, "simplificando demais o fluxo de calor de átomo a átomo.

Em contraste, existe uma teoria para a condução de calor - conhecida como funções de Green - que descreve o fluxo de calor no nível atômico para materiais em contato. A teoria permite que os pesquisadores calculem a frequência das vibrações que podem viajar pela interface entre dois materiais.

"Mas com as funções de Green, as interações átomo a átomo tendem a cair após alguns vizinhos. ... Você poderia prever artificialmente a transferência de calor zero após algumas separações de átomos, "Chiloyan diz." Para realmente prever a transferência de calor através da lacuna, você tem que incluir longo alcance, forças eletromagnéticas. "

Tipicamente, as forças eletromagnéticas podem ser descritas pelas equações de Maxwell - um conjunto de quatro equações fundamentais que delineiam o comportamento da eletricidade e do magnetismo. Para explicar a transferência de calor em escala microscópica, Contudo, Chiloyan e Chen tiveram que desenterrar a forma menos conhecida conhecida como equações microscópicas de Maxwell.

"A maioria das pessoas provavelmente não sabe que existe uma equação microscópica de Maxwell, e tivemos que ir a esse nível para unir a imagem atômica, "Chen diz.

Preenchendo a lacuna

A equipe desenvolveu um modelo de transporte de calor, com base nas funções de Green e nas equações microscópicas de Maxwell. Os pesquisadores usaram o modelo para prever o fluxo de calor entre duas redes de cloreto de sódio, ou sal de cozinha, separados por uma lacuna de largura nanométrica.

Com o modelo, Chiloyan e Chen foram capazes de calcular e somar os campos eletromagnéticos emitidos por átomos individuais, com base em suas posições e forças dentro de cada rede. Enquanto as vibrações atômicas, ou fonões, normalmente não pode transportar calor por distâncias maiores do que alguns átomos, a equipe descobriu que a força eletromagnética somada dos átomos pode criar uma "ponte" para os fônons cruzarem.

Quando eles modelaram o fluxo de calor entre duas redes de cloreto de sódio, os pesquisadores descobriram que o calor fluía de uma rede para a outra via tunelamento de fônons, em lacunas de um nanômetro e menores.

Nas lacunas sub-nanométricas "é um regime em que nos falta uma linguagem adequada, "Diz Chen." Agora desenvolvemos uma estrutura para explicar essa transição fundamental, preencher essa lacuna. "