Em um novo estudo publicado recentemente em Nature Nanotechnology , pesquisadores da Columbia Engineering, Cornell, e Stanford demonstraram que a transferência de calor pode ser feita 100 vezes mais forte do que o previsto, simplesmente trazendo dois objetos extremamente próximos - a distâncias em nanoescala - sem se tocar. Liderado por Michal Lipson da Columbia Engineering e Shanhui Fan da Stanford Engineering, a equipe usou controladores de deslocamento micromecânicos de ultra-alta precisão feitos sob medida para obter transferência de calor usando luz na maior magnitude relatada até agora entre dois objetos paralelos.

"Em separações tão pequenas quanto 40 nanômetros, alcançamos um aumento de quase 100 vezes na transferência de calor em comparação com as previsões clássicas, "diz Lipson, Eugene Higgins Professor de Engenharia Elétrica e professor de física aplicada. "Isso é muito empolgante, pois significa que a luz agora pode se tornar um canal de transferência de calor dominante entre objetos que geralmente trocam calor principalmente por condução ou convecção. E, enquanto outras equipes demonstraram transferência de calor usando luz em nanoescala antes, somos os primeiros a alcançar desempenhos que podem ser usados ​​para aplicações de energia, como a conversão direta de calor em eletricidade usando células fotovoltaicas. "

Todos os objetos em nosso ambiente trocam calor com seus arredores usando a luz. Isso inclui a luz que vem do sol para nós, a cor vermelha brilhante do elemento de aquecimento dentro de nossos fornos torradeira, ou as câmeras de "visão noturna" que permitem a gravação de imagens mesmo na escuridão total. Mas a troca de calor usando luz é geralmente muito fraca em comparação com o que pode ser alcançado por condução (ou seja, simplesmente colocando dois objetos em contato um com o outro) ou por convecção (ou seja, usando ar quente). Transferência de calor radiativo em distâncias em nanoescala, enquanto teorizado, tem sido especialmente desafiador devido à dificuldade de manter grandes gradientes térmicos em distâncias em escala nanométrica, evitando outros mecanismos de transferência de calor, como a condução.

A equipe de Lipson foi capaz de trazer objetos em diferentes temperaturas muito próximos uns dos outros - a distâncias menores do que 100 nanômetros, ou 1/1000 do diâmetro de um fio de cabelo humano. Eles foram capazes de demonstrar a transferência de calor radiativo de campo próximo entre nanofuxos paralelos de SiC (carboneto de silício) no regime de sub comprimento de onda profundo. Eles usaram um sistema microeletromecânico de alta precisão (MEMS) para controlar a distância entre os feixes e exploraram a estabilidade mecânica dos nanofixes sob alta tensão de tração para minimizar os efeitos de flambagem térmica. mantendo assim o controle da separação em escala nanométrica, mesmo em grandes gradientes térmicos.

Usando essa abordagem, a equipe foi capaz de trazer dois objetos paralelos em diferentes temperaturas a distâncias tão pequenas quanto 42 nm sem se tocar. Nesse caso, eles observaram que a transferência de calor entre os objetos era cerca de 100 vezes mais forte do que o previsto pelas leis convencionais de radiação térmica (ou seja, "radiação de corpo negro"). Eles foram capazes de repetir este experimento para diferenças de temperatura de até 260oC (500oF) entre os dois objetos. Essa diferença de alta temperatura é especialmente importante para aplicações de conversão de energia, uma vez que, nesses casos, a eficiência de conversão é sempre proporcional à diferença térmica entre os objetos quentes e frios envolvidos.

"Uma implicação importante do nosso trabalho é que a radiação térmica agora pode ser usada como um mecanismo de transferência de calor dominante entre objetos em diferentes temperaturas, "explica Raphael St-Gelais, o principal autor do estudo e pós-doutorado trabalhando com Lipson na Columbia Engineering. "Isso significa que podemos controlar o fluxo de calor com muitas das mesmas técnicas que temos para manipular a luz. Isso é muito importante, pois há muitas coisas interessantes que podemos fazer com a luz, como convertê-lo em eletricidade usando células fotovoltaicas. "

St-Gelais e Linxiao Zhu, que foi coautor do estudo e é candidato a PhD no grupo de Fan em Stanford, observe que a abordagem da equipe pode ser ampliada para uma área efetiva maior simplesmente organizando vários nanofuxos - em cima de uma célula fotovoltaica, por exemplo - e controlando individualmente seu deslocamento fora do plano usando atuadores MEMS. Os pesquisadores agora procuram aplicar a mesma abordagem para o controle de deslocamento de ultra-alta precisão, desta vez com uma célula fotovoltaica real para gerar eletricidade diretamente do calor.

"Isso é muito forte, sem contato, canal de transferência de calor pode ser usado para controlar a temperatura de dispositivos nano delicados que não podem ser tocados, ou para converter calor em eletricidade de forma muito eficiente, irradiando grandes quantidades de calor de um objeto quente para uma célula fotovoltaica em sua extrema proximidade, "Lipson acrescenta." E se pudermos irradiar uma grande quantidade de calor na forma de luz de um objeto quente para uma célula fotovoltaica, poderíamos criar módulos compactos para conversão direta de calor em energia elétrica. Esses módulos podem ser usados ​​dentro de carros, por exemplo, para converter o calor desperdiçado do motor de combustão em energia elétrica útil. Também poderíamos usá-los em nossas casas para gerar eletricidade a partir de fontes alternativas de energia, como biocombustíveis e energia solar armazenada. "