Résumé :
Des chercheurs de l'Université Carnegie Mellon, de l'Université Stanford et de l'Université Purdue ont démontré une méthode de régulation du transfert de chaleur à l'échelle nanométrique : créer des structures microscopiques d'or sur des films minces de sorte que deux surfaces se font face sur un espace très étroit, améliorant ainsi considérablement l'efficacité du transfert de chaleur à travers l'espace sous forme de rayonnement électromagnétique.
Dans l’expérience, la capacité de transfert de chaleur du dispositif métamatériau structurellement conçu était jusqu’à environ quatre fois supérieure à celle du dispositif de contrôle qui n’utilisait pas la même structure de motif. La recherche, publiée dans Nature, fournit une vérification expérimentale de l'utilisation de structures artificielles pour réguler le transfert de chaleur par rayonnement en champ proche.
À l'échelle quotidienne, les objets échangent de la chaleur principalement par conduction thermique, convection et rayonnement thermique ordinaire ; mais lorsque deux surfaces sont proches de centaines de nanomètres, les effets de champ proche deviennent importants. À ce stade, le champ électromagnétique près de la surface peut transférer de l'énergie de l'autre côté par couplage d'espace, ce qui fait que le transfert de chaleur par rayonnement thermique dépasse la limite du rayonnement du corps noir en champ lointain. L'équipe a testé des espacements de surface d'environ 250, 450 et 730 nanomètres, construit des structures comprenant des résonateurs à anneaux brisés en or sur des films de nitrure de silicium et mesuré les changements dans le transfert de chaleur à travers les nanogaps.
Améliorer la synergie des deux structures. Le mode de résonance généré par le résonateur à anneau fendu en or est fortement couplé aux polaritons de phonons sur la surface du nitrure de silicium ; Les polaritons de phonons sont des ondes de surface formées par le couplage d'ondes électromagnétiques et de vibrations du réseau matériel. Ils peuvent transférer de l’énergie à travers les interstices du champ proche. L’équipe de recherche a étayé cette explication par des simulations électromagnétiques et une analyse théorique en mode couplé. En d’autres termes, la recherche ne consiste pas simplement à augmenter le canal de conduction thermique, mais à faire en sorte que les deux résonances se renforcent mutuellement en concevant soigneusement la structure de surface du matériau.
Les chercheurs pensent que cette méthode pourrait fournir de nouvelles idées de refroidissement pour les puces et les systèmes informatiques hautes performances à l'avenir. Cela pourrait également améliorer l’efficacité des systèmes thermophotovoltaïques utilisant le rayonnement thermique pour produire de l’électricité et contribuer à améliorer les capacités de contrôle des signaux des capteurs infrarouges. Cependant, les résultats actuels ont été obtenus dans des conditions de laboratoire à l’échelle nanométrique, précisément alignées et contrôlées, et aucun refroidisseur, dispositif de production d’énergie ou produit de détection pouvant être directement utilisé dans les puces commerciales n’a encore été démontré. L'équipe de recherche a déclaré qu'à l'avenir, des problèmes d'ingénierie tels que la manière d'intégrer cette structure dans des dispositifs réels, de maintenir un espacement extrêmement réduit et de réaliser une fabrication sur de grandes surfaces doivent encore être résolus.
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