De olho no impossível:primeira medição de radiação térmica em campo próximo e comprimento de onda inferior
Crédito:Nano Letras (2024). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c03748 Os nanodispositivos mudam a forma como diagnosticamos doenças, processamos alimentos e água e armazenamos energia renovável. Mas para acompanhar a tecnologia da próxima geração, os investigadores precisam de compreender os princípios fundamentais que motivam a sua funcionalidade.
Na física, a Lei de Planck descreve quanto calor pode ser transferido entre dois objetos quando o tamanho do espaço entre os objetos é maior que o comprimento de onda térmico, que é de cerca de 10 micrômetros à temperatura ambiente. Pesquisas anteriores de Sheng Shen, professor de Engenharia Mecânica, descobriram que a Lei de Planck pode ser quebrada em nanoescala – quando os objetos estão mais próximos, a emissão de energia excede as expectativas.
Agora, após anos de tentativa e erro, o laboratório de Shen fabricou um instrumento avançado para coletar a primeira medição térmica de campo próximo habilitada para nanodispositivos. Suas descobertas revelam uma visão inteiramente nova sobre a física do transporte de energia dentro dos nanodispositivos – uma pedra angular para aplicações de nanodispositivos para conversão e coleta de energia.
“Queríamos ultrapassar o limite”, disse Sheng Shen, professor de Engenharia Mecânica. "Podemos diminuir tanto a lacuna quanto o objeto para entender melhor a transferência de calor em nanoescala?"
Para explorar isso, Xiao Luo, Ph.D. Candidato em Engenharia Mecânica, construiu sob medida uma nova plataforma de nanodispositivos com termometria de aquecimento suspenso para relatar a primeira medição de radiação térmica de campo próximo entre duas estruturas de subcomprimentos de onda.
“Superei muitas dificuldades de fabricação, incluindo contaminação, dispositivos quebrados e membranas grudadas”, disse Luo. “A ideia é que duas pequenas membranas fiquem perfeitamente alinhadas uma com a outra, sem interferência de qualquer outro objeto que também possa transferir calor”.
Luo usou ataque químico para suspender as duas membranas, uma delas com um sensor de feixe longo para monitorar a absorção de calor, removendo a maior parte do substrato. Ele então mediu a radiação térmica entre os dispositivos em uma variedade de distâncias variando de aproximadamente 150 nm a 750 nm.
Em comparação com a radiação teórica do corpo negro, a equipe demonstrou um aumento de 20 vezes na transferência de calor entre duas superfícies de subcomprimentos de onda com uma lacuna de separação de 150 nm.
“O surpreendente é que a história toda não gira em torno do tamanho da lacuna como pensávamos anteriormente”, disse Shen. "Quando tornamos o objeto menor que o comprimento de onda, a radiação térmica não foi intensificada tanto quanto esperado com base na teoria para dois objetos grandes. Os pesquisadores devem analisar tanto a estrutura quanto a física subjacente para compreender este fenômeno."
Luo e sua equipe validaram suas descobertas usando uma simulação computacional.
Shen acredita que serão necessários mais 10 a 20 anos até que os consumidores vejam um produto tangível desenvolvido com esta física fundamental em mente, mas está confiante no seu valor para a engenharia térmica e fotônica.
O trabalho está publicado na revista Nano Letters .
