热量是我们每天都会遇到的东西。一杯热气腾腾的咖啡逐渐变凉，笔记本电脑在使用过程中会变热，阳光加热地球表面。然而，当热量在小于人类头发宽度的距离上被检查时，它的行为可能会出乎意料。来自卡内基梅隆大学的研究人员与斯坦福大学和普渡大学的合作伙伴一起，展示了一种控制纳米尺度热量的新方法。他们的研究成果发表在《自然》杂志上，提供了强有力的实验证据，证明热传递可以通过专门设计的超材料进行有意工程和显著增强。微小间隙中的热量如何移动 该研究集中于一种称为近场辐射热传递的现象。当两个物体之间的距离极小，仅几百纳米时，热量可以在它们之间比普通条件下更高效地传递。热能不是简单地向外辐射，而是可以通过电磁波有效地穿透狭窄的间隙。这一过程使得更多的热量从一个物体流向另一个物体，远远超出常规预期。科学家们已经理解这种效应多年，但在实验上如何显著增强它仍然是一个挑战。超材料提升热传递 为了实现这一目标，研究人员转向了超材料，这是一种包含微观重复结构的人工材料，旨在以高度可控的方式与能量相互作用。卡内基梅隆大学机械工程教授、该研究的资深作者Sheng Shen表示：“与传统材料不同，超材料是由微小的重复图案构成的，以精确的方式与能量相互作用。”他补充道：“我们在薄膜上图案化微观金结构，并将其面对面地放置在纳米级间隙中。这比没有超材料的类似设置提高了多达四倍的热传递，这远远超出了传统物理在较大距离上的预测。”该团队的实验表明，金图案结构显著增加了穿过间隙的热量，热传递速率比缺乏工程图案的可比系统高出多达四倍。效应背后的科学 这种增强效果不仅仅是添加更多热量传递路径的结果。研究的共同第一作者、Shen教授的研究小组的博士生Zexiao Wang表示：“金结构与材料中自然发生的能量波（称为表面声子极化子）相互作用，从而产生共振效果。”他补充道：“这些耦合的振动允许能量更自由、更高效地穿过间隙。”根据研究人员的说法，这种效应的出现是因为微观结构与材料的自然能量波共同作用。“这是一种协同效应，”Shen表示，“结构和材料相互增强。”电子和能源的潜在应用 这一发现可能具有重要的实际应用。随着电子设备变得越来越小和强大，去除多余热量已成为最重要的工程挑战之一。更有效地引导和控制热量可能会改善计算机芯片和其他高性能电子系统的冷却方法。这些发现也可能使能源技术受益。称为热光伏的系统通过将热辐射转化为可用电能来发电。提高热辐射传递的效率可能有助于让这些技术更具可行性。此外，涉及红外传感的应用可能会受益于更强大且更精确控制的热信号。潜在用途包括环境监测和国家安全。工程热量的一步迈向 尽管实验是在仔细控制的实验室条件下进行的，并且仍然局限于纳米尺度系统，但这项工作代表了从理论预测到实际演示的重要进展。Shen表示：“如果热量可以像电力或光一样精准地进行工程，将可能打开一类新技术的门，这些技术不仅能够抵御热量，还能够利用热量。”这项工作得到了国防威胁减少局、国家科学基金会和空军科学研究办公室的支持。Sheng Shen和Shanhui Fan是通讯作者。Zexiao Wang、Renwen Yu和Hakan Salihoglu在此工作中同等贡献。