Un cercetător de la Institutul de Tehnologie Massachusetts (MIT) a elaborat o tehnică prin care oferă un nou mod de a manipula căldura, permiţând ca aceasta să fie controlată de maniera în care undele luminoase sunt controlate cu ajutorul unor lentile şi oglinzi.
O nouă abordare folosind aliaje cu nanoparticule permite concentrarea sau reflectarea căldurii la fel ca în cazul undelor electromagnetice.
Abordarea se bazează pe materiale speciale care conţin cristale de aliaje pentru semiconductori, nanostructurate. Căldura este o vibraţie a materiei - din punct de vedere tehnic, o vibraţie a reţelei atomice a unui material - întocmai cum este sunetul. Astfel de vibraţii pot fi, de asemenea, imaginate ca un flux de fononi - un fel de „particule virtuale” care reprezintă analogul fotonilor care transportă lumina. Noua abordare este similară cu recenta dezvoltare a cristalelor fotonice care pot controla trecerea luminii şi a cristalelor fononice care pot face acelaşi lucru pentru sunet. Distanţa dintre golurile mici din aceste materiale este reglată pentru a egala lungimea de undă a fononilor de căldură, explică Martin Maldovan, un cercetător ştiinţific de la Departamentul de Materiale, Ştiinţă şi Inginerie din cadrul MIT şi autorul unei lucrări referitoare la noile descoperiri, publicată în numărul din 11 ianuarie a revistei „Physical Review Letters”.
Reţelele termice prezentate aici reprezintă una din aplicaţiile posibile ale noilor termocristale produse. În aceste structuri, unde golurile de aer precis poziţionate (cercurile întunecate) controlează fluxul de căldură, energia termică poate fi „fixată” într-un loc de defectele introduse în structură (zonele colorate).
„Este o modalitate complet nouă de a manipula căldura”, spune Maldovan. Căldura diferă de sunet, explică el, prin frecvenţa vibraţiei sale: undele sonore constau din frecvenţe scăzute (până la ordinul kilohertzilor, sau mii de vibraţii pe secundă), în timp ce căldura apare la frecvenţe mai mari (de ordinul terahertzi, sau trilioane de vibraţii pe secundă). Pentru a aplica tehnicile deja elaborate pentru manipularea sunetului, primul pas al lui Maldovan a fost să reducă frecvenţa fononilor de căldură, aducând-o mai aproape de frecvenţa sunetului. El a descris asta folosind sintagma „căldură hipersonică”. „Fononii sunetului pot călători kilometri”, spune Maldovan - acesta fiind şi motivul pentru care putem auzi zgomote de foarte departe. „Dar fononii căldurii călătoresc abia nanometri (miliardimi dintr-un metru). Acesta este motivul pentru care nu poţi auzi căldura nici chiar cu urechi care răspund la frecvenţe de terahertzi”. „Căldura, de asemenea, se întinde pe o gamă largă de frecvenţe”, spune el, „în timp ce sunetul cuprinde o singură frecvenţă”. Aşa încât, pentru a rezolva acest aspect, spune Maldovan, „primul lucru pe care l-am făcut a fost de a reduce numărul de frecvenţe ale căldurii şi de a o face mai joasă”, aducând aceste frecvenţe mai jos, în zona de limită dintre căldură şi sunet. Realizând aliaje de siliciu care încorporează nanoparticule de germaniu într-o gamă dimensională specială, am realizat această scădere a frecvenţei, spune el.
Reducerea gamei de frecvenţe a fost, de asemenea, realizată prin intermediul unei serii de filme subţiri de material, astfel încât împrăştierea fononilor să aibă loc la graniţe. În final, are loc concentrarea celor mai mulţi fononi de căldură într-o „fereastră” de frecvenţe relativ îngustă. În urma aplicării acestor tehnici, mai mult de 40% din totalul fluxului de căldură este concentrat într-un interval hipersonic de 100 până la 300 GHz şi cei mai mulţi dintre fononi sunt îndreptaţi într-un fascicul îngust, în loc să se mişte în toate direcţiile. Ca urmare, acest fascicul de fononi de frecvenţă îngustă poate fi manipulat utilizând cristale fononice similare celor realizate pentru controlul fononilor de sunet. Deoarece aceste cristale sunt folosite acum pentru a controla căldura, Maldovan se referă la ele folosind termenul de „termocristale”, o nouă categorie de materiale. Aceste termocristale ar putea avea o gamă largă de aplicaţii, sugerează el, inclusiv în îmbunătăţirea dispozitivelor termoelectrice, care convertesc diferenţele de temperatură în electricitate. Astfel de dispozitive transmit liber electricitatea în timp ce controlează strict fluxul de căldură - sarcini pe care termocristalele le-ar pot îndeplini foarte eficient, spune Maldovan.
Majoritatea materialelor convenţionale permit căldurii să călătorească în toate direcţiile, ca undele care se extind în exterior de la o piatră aruncată în lac; termocristalele pot produce în schimb echivalentul tuturor acelor unde, dar mişcându-se într-o singură direcţie, spune Maldovan. Cristalele ar putea fi, de asemenea, folosite pentru a crea diode termice: materiale în care căldura poate să treacă într-o direcţie, dar nu şi în sens invers. Astfel, un flux unidirecţional de căldură ar putea fi utilizat la clădirile eficiente energetic, în zone climatice reci şi calde. Alte variaţii ale materialului ar putea fi folosite pentru a focaliza căldura - la fel ca focalizarea luminii, cu un obiectiv - să-l concentreze într-o zonă restrânsă.
O altă posibilitate interesantă ar fi camuflarea termică, spune Maldovan: materiale care împiedică detectarea termică, exact ca materialele recent realizate, pot crea „paravane invizibile” pentru a proteja obiectele de la detectarea lor cu lumină vizibilă sau microunde.
Rama Venkatasubramanian, senior director de cercetare la Centrul pentru Energii ale Solidului de la RTI International din Carolina de Nord, spune că aceasta este „o abordare interesantă pentru controlul spectrului diferitelor frecvenţe ale fononilor care conduc căldura într-un material semiconductor”. Modelarea utilizată pentru realizarea acestui nou sistem „trebuie dezvoltată în continuare”, adaugă Venkatasubramanian.
„Teoria care se referă la ce lungimi de undă ale fononilor, şi la ce temperaturi, contribuie la cât de multă căldură transportă, este o problemă complexă, chiar şi în materialele simple, ca să nu mai vorbim de materialele nanostructurate, iar acestea vor trebui să fie luate în considerare, astfel că această lucrare va trezi mai mult interes şi studiu în această direcţie ”.
Traducere de Mircea Ştefan Moldovan după How to treat heat like light.
