افزایش گرما و نور در فاصله های نانو

   انتقال حرارت با بسیار نزدیک کردن دو شی‌ء به هم بدون تماس (فاصله های نانو)، می تواند 100 برابر بزرگتر شود. در این روش، با استفاده از کنترلرهای جابجایی میکرومکانیکی با دقت بسیار زیاد، انتقال حرارت با استفاده از نور به بزرگ‌ترین مقدار گزارش شده تا به امروز، بین دو شی موازی رسیده است.

   در فاصله هایی به کوچکی 40 نانومتر، تا 100 برابر افزایش انتقال حرارت نسبت به روش های پیشین مشاهده شده است. این اتفاق جالب، نشان می دهد که نور می تواند به عنوان کانال اصلی انتقال حرارت بین اشیایی که معمولاً از طریق رسانش یا جابجایی انتقال حرارت می کنند، استفاده شود. این روش می تواند در کاربردهای انرژی مانند تبدیل مستقیم گرما به برق با استفاده از سلول های فتوولتاییک استفاده شود.

   تمامی اشیا در محیط پیرامون ما، انتقال حرارت با محیط توسط نور انجام می دهند. این نور شامل نور خورشید، نور قرمز المنت درون توسترها یا دوربین های دید در شب که عکاسی در تاریکی مطلق را ممکن می سازند، می شود. ولیکن انتقال حرارت از طریق نور معمولاً در قیاس با دیگر روش ها مانند رسانش (در تماس قرار دادن دو شی) یا جابجایی (استفاده از هوای داغ) ضعیف تر است. انتقال حرارت تابشی در ابعاد نانو، به دلیل مشکل بودن در نگه داشتن گرادیان حرارتی بزرگ در فاصله های نانو در حالی که از مکانیسم‌های دیگر مانند رسانش جلوگیری شود، همیشه یک چالش سخت بوده است.

   این گروه از محققان موفق شدن که اشیا با دماهای متفاوت بسیار نزدیک به هم را در فاصله هایی کوچک‌تر از 100 نانومتر (1/100 قطر یک تار موی انسان) قرار دهند که این امر موجب انتقال حرارت تابشی بین نانو پرتوهای کاربید سیلیکون شد. برای کنترل فاصله بین پرتوها از سیستم های الکترومکانیکی بسیار دقیق (MEMS) و از پایداری مکانیکی نانو پرتوها تحت تنش کششی شدید برای حداقل کردن اثرات کمانش حرارتی که منجر به داشتن گرادیان دمایی بیشتر می شود، استفاده شد.

   با استفاده از این روش ها، نزدیک کردن دو شی با دماهای متفاوت تا فاصله 42 نانومتر بدون تماس با یکدیگر ممکن شد. با استفاده از این روش انتقال حرارت انجام شده، 100 برابر مقدار پیش بینی شده با قانون های تابشی مرسوم (تابش جسم سیاه) مشاهده شد. این روش برای اختلاف دماهایی به بزرگی 260 درجه سانتیگراد بین دو شی نیز انجام شده است. چنین اختلاف دماهای بزرگی در کاربردهای تبدیل انرژی بسیار مهم است. در این موارد، کارایی تبدیل انرژی متناسب با اختلاف حرارتی بین جسم داغ و سرد موجود است.

   کاربرد بسیار مهم این روش، استفاده از انتقال حرارت تابشی به عنوان روش غالب بین اشیا در اختلاف دماهای مختلف است. از آنجایی که از نور استفاده های مختلفی مانند تبدیل آن به برق با استفاده از سلول های فتوولتاییک می توان کرد، روشی بسیار مفید و کارآمد است.

   استفاده مهم دیگر این کانال انتقال حرارت بسیار قوی بدون تماسی برای کنترل دمای دستگاه های حساس نانو که قابل تماس نیستند یا برای تبدیل مؤثر گرما به برق با تابش مقدار زیادی نور از جسم داغ به سلول های فتوولتاییک در مجاورت بسیار نزدیک است. این امر نهایتاً می تواند منجر به تولید واحدهای فشرده تبدیل مستقیم گرما به برق شود که می تواند در اتومبیل ها استفاده شود. برای مثال، برای تبدیل کردن گرمای هدر رفته از موتور احتراقی برای تبدیل به توان الکتریکی مفید. همچنین می توان در خانه های برای تولید برق استفاده کرد.

اطلاعات تکميلي

  • حوزه کاربرد: انتقال حرارت
  • سازمانهاي وابسته: دانشگاه کلمبیا