Quando o calor viaja entre dois objetos que não estão se tocando, ele flui de maneira diferente nas escalas menores - distâncias da ordem do diâmetro do DNA, ou 1/50, 000 de um cabelo humano.

Embora os pesquisadores estejam cientes disso há décadas, eles não entenderam o processo. Freqüentemente, o fluxo de calor precisa ser evitado ou aproveitado, e a falta de uma maneira precisa de predizê-lo representa um gargalo no desenvolvimento da nanotecnologia.

Agora, em um laboratório exclusivo de vibração ultrabaixa na Universidade de Michigan, os engenheiros mediram como o calor se irradia de uma superfície para outra no vácuo a distâncias de até 2 nanômetros.

Enquanto a energia térmica ainda flui do local mais quente para o mais frio, os pesquisadores descobriram que sim 10, 000 vezes mais rápido do que seria na escala de, dizer, uma fogueira e um par de mãos frias. "Mais rápido" aqui se refere à velocidade com que a temperatura de uma amostra muda a temperatura da outra - e não à velocidade com que o calor em si viaja. O calor é uma forma de radiação eletromagnética, então ele se move na velocidade da luz. O que é diferente na nanoescala é a eficiência do processo.

"Nós mostramos, pela primeira vez, as melhorias dramáticas dos fluxos de calor radiativo no campo próximo extremo, "disse Pramod Reddy, professor associado de engenharia mecânica e ciência e engenharia de materiais. "Nossos experimentos e cálculos indicam que o calor flui várias ordens de magnitude mais rápido nessas lacunas ultrapequenas."

Reddy e Edgar Meyhofer, professor de engenharia mecânica e engenharia biomédica, liderou o trabalho. Um artigo sobre as descobertas foi publicado online recentemente em Natureza .

As descobertas têm aplicações em nanotecnologia. Eles poderiam avançar no armazenamento de informações de próxima geração, como gravação magnética assistida por calor. Eles poderiam impulsionar dispositivos que convertem mais diretamente o calor em eletricidade, incluindo o calor gerado em carros e naves espaciais que agora está sendo desperdiçado. Esses são apenas alguns usos potenciais.

O fenômeno que os pesquisadores estudaram é o "calor radiativo" - a radiação eletromagnética, ou luz, que toda matéria acima do zero absoluto emite. É a emissão da energia interna da matéria pelo movimento das partículas na matéria - movimento que só acontece acima do zero absoluto.

Os cientistas podem explicar como isso acontece a distâncias macroscópicas, dimensões que podemos perceber prontamente no mundo ao nosso redor, para alguns que não podemos ver. Mais de 100 anos atrás, o físico alemão Max Planck escreveu as equações que tornam isso possível. Seu modelo descreve com precisão a transferência de calor em espaços grandes a relativamente pequenos, atingindo 10 micrômetros em temperatura ambiente. Mas quando a lacuna fica tão estreita, quase não existe, as equações se quebram.

Em meados do século passado, o radiofísico russo Sergei Rytov propôs uma nova teoria chamada "eletrodinâmica flutuante" para descrever a transferência de calor em distâncias menores que 10 micrômetros. Desde então, a pesquisa nem sempre resultou em evidências de apoio.

"Houve experimentos na década de 1990 ou no início dos anos 2000 que tentaram testar essas ideias ainda mais e encontraram grandes discrepâncias entre o que a teoria poderia prever e o que os experimentos revelaram, "Meyhofer disse.

Por causa da sofisticação do laboratório U-M, os pesquisadores dizem que suas descobertas encerram o caso, e Rytov estava certo.

"Nosso trabalho, realizado em colaboração com os colegas Professor Juan Carlos Cuevas e Professor Francisco García-Vidal da Universidad Autónoma de Madrid, resolve uma controvérsia importante e representa uma contribuição fundamental para o campo da transferência de calor, "Disse Reddy." Esses resultados refutam o dogma atual na transferência de calor em nanoescala, que sustenta que a transferência de calor radiativo em lacunas de tamanho nanométrico de um dígito não pode ser explicada pela teoria existente. "

A instalação que os pesquisadores usaram é uma câmara de vibração ultrabaixa nos Laboratórios G. G. Brown, complexo de engenharia mecânica recentemente renovado da universidade. A câmara - uma entre várias - foi projetada especialmente para realizar experimentos em nanoescala tão precisos que meros passos poderiam perturbá-los se fossem feitos em outro lugar. Os quartos podem suportar vibrações externas, como tráfego, e dentro, como sistemas de aquecimento e resfriamento. Eles também limitam o ruído acústico, variações de temperatura e umidade, bem como frequência de rádio e interferência magnética.

"Nossas instalações representam o verdadeiro estado da arte, "Meyhofer disse." Ao criar lacunas em nanoescala, como as necessárias para nossos experimentos de radiação de calor em nanoescala, a menor perturbação pode arruinar um experimento. "

Na câmara, os pesquisadores usaram "sondas de microscopia térmica de varredura" personalizadas que lhes permitiram estudar diretamente a velocidade com que o calor flui entre duas superfícies de sílica, nitreto de silício e ouro. Os pesquisadores escolheram esses materiais porque eles são comumente usados ​​em nanotecnologia.

Para cada material, they designated one sample that would be heated to 305 Fahrenheit, and they coated the tip of the probe with the same material, but kept it at a cooler 98 degrees. They slowly moved the sample and the probe together, beginning at 50 nanometers until they were touching, and they measured the temperature of the tip at regular intervals.

The cause of the rapid heat transfer, os pesquisadores descobriram, is that in nanoscale gaps there can be an overlap of the two sides' surface and evanescent waves, both of which carry heat.

"These waves reach only a small distance into the gap between materials, " said Bai Song, a graduate student in mechanical engineering and one of the lead authors. "And their intensity at the extreme near-field is enormous compared to the electromagnetic waves at larger distances. When these waves from two different devices overlap, that's when they allow tremendous heat flux."