Todos já sentaram do lado de fora em um dia ensolarado e foram aquecidos pelos raios do sol. Isso acontece por meio de um processo conhecido como transferência de calor por radiação:o sol emite luz (radiação eletromagnética), que viaja para a Terra e aquece os objetos que o absorvem. A transferência de calor por radiação também é o mecanismo por trás das câmeras térmicas.

Cada objeto quente, incluindo seres humanos, emite luz, permitindo que ele libere calor e termine para o meio ambiente. Os comprimentos de onda, ou cores de luz que são emitidas, dependem da temperatura do objeto, com o sol sendo quente o suficiente para produzir luz visível e corpos humanos emitindo luz que não é visível a olho nu, mas pode ser captada por sensores infravermelhos.

Para objetos macroscópicos, a transferência de calor por radiação é descrita com precisão pela conhecida lei de Planck da radiação de corpo negro, comumente visto em aulas de física de graduação. Quando o tamanho de um objeto se aproxima da nanoescala, Contudo, A lei de Planck não se aplica mais. Nesta escala, centenas a milhares de vezes menor que a espessura de um cabelo humano, a troca radiativa de calor pode ser muitas vezes mais eficiente do que em macroescala.

O controle da transferência de calor radiativo em nanoescala pode permitir o desenvolvimento de uma ampla gama de aplicações. Um exemplo são os termofotovoltaicos, uma tecnologia que visa converter o calor desperdiçado produzido, por exemplo, por motores e fábricas em eletricidade utilizável. Outra aplicação envolve o resfriamento de componentes eletrônicos em microchips, cujos tamanhos já atingiram a nanoescala. Técnicas de gerenciamento térmico aprimoradas para esses dispositivos podem ajudar a evitar o superaquecimento dos computadores e facilitar o desenvolvimento de chips com mais transistores.

Inspirado por esta grande promessa, cientistas da Universidade do Novo México, Laboratório Nacional de Los Alamos (LANL), e o Instituto de Óptica da Espanha publicou um estudo que oferece uma nova visão sobre a maneira como as coleções de nanopartículas trocam calor por radiação entre si e com seu ambiente. Trabalho deles, intitulado "Near-Field Radiative Heat Transfer Eigenmodes" foi publicado na revista Cartas de revisão física recentemente.

Antes deste trabalho, cientistas sabiam como calcular a dinâmica de termalização de arranjos de nanopartículas, mas os cálculos requerem recursos computacionais significativos que se tornam proibitivos mesmo para sistemas com uma dúzia de partículas. Neste estudo, liderado por Alejandro Manjavacas em colaboração com Diego Dalvit e Wilton Kort-Kamp de LANL, os pesquisadores desenvolveram um arcabouço teórico que permite a descrição simples e eficiente da dinâmica de termalização de sistemas com até mesmo milhares de nanopartículas.

"Nosso método oferece uma abordagem elegante e eficiente para resolver problemas que já existem há algum tempo, "disse Manjavacas.

O arcabouço teórico dos pesquisadores decompõe a dinâmica da transferência de calor por radiação usando técnicas matemáticas simples que seriam encontradas em uma aula de álgebra linear de graduação. Ao fazer isso, eles não foram apenas capazes de estudar a termalização de sistemas grandes e complicados, mas também descobrir uma visão física que se apresenta de maneiras inesperadas.

Por exemplo, a equipe descobriu que, quando um arranjo de nanopartículas tem alguma quantidade de calor inicialmente armazenado nele, o sistema irá abordar a temperatura de seu ambiente da mesma maneira, independentemente de quais partículas estão quentes. Em contraste, se o calor total inicialmente em um sistema for zero, como quando uma nanopartícula é mais quente que o ambiente e outra é mais fria, o sistema atinge o equilíbrio térmico mais rapidamente do que qualquer distribuição de temperatura com algum calor inicial. Isso é verdade mesmo se o último caso exigir uma mudança muito menor na temperatura do que o primeiro.

Outro comportamento interessante que os autores descreveram envolve uma evolução oscilatória da temperatura de uma nanopartícula à medida que ela se termaliza para o ambiente:ao longo da termalização, a nanopartícula esfria e volta a aquecer várias vezes, mesmo que o ambiente permaneça sempre à mesma temperatura.

"Achei este projeto muito empolgante porque envolve a aplicação de conceitos matemáticos básicos, mas elegantes, a um problema de física de última geração, "disse o autor principal do artigo, Stephen Sanders, que se formará em breve na UNM com seu Ph.D. em física, com planos de se mudar para a Rice University como bolsista da Rice Academy.

Outro estudante de graduação envolvido com o jornal, Lauren Zundel, que é bolsista graduado do Departamento de Energia e Ciência da Computação, diz, "Foi ótimo aplicar o que aprendi sobre ciência da computação para resolver um problema como este."