Bryter mot lagen på nanoskala

Varje gång du ser en metallbit som lyser glödhet, eller blir gul eller vit när den blir varmare, ser du Plancks lag i aktion. Den hundraåriga principen, som beskriver hur energi utstrålas från ett idealiserat icke-reflekterande svart föremål, gäller allt från en stekpanna i gjutjärn till ytan av en stjärna. Men det visar sig ha ett kryphål.

Närbild Professor Gang Chen med vakuumkammaren som användes i sin forskning.

Plancks lag säger att termisk strålning vid olika våglängder följer ett exakt mönster som varierar beroende på objektets temperatur. När den tyske fysikern Max Planck föreslog lagen år 1900, misstänkte han att den inte skulle gälla när två föremål var väldigt nära varandra. Men det tog fram till i år att bevisa hans aning, för att hålla föremål som är nära utan att låta dem röra vid är en stor utmaning. Nu har MIT-forskare visat att värmeöverföringen mellan objekt några nanometer från varandra kan vara tre storleksordningar större än vad lagen skulle förutsäga.

Den här historien var en del av vårt novembernummer 2009

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Professorn i kraftteknik Gang Chen och hans team, doktorand Sheng Shen och Columbia University professor Arvind Narayanaswamy, PhD '07, beskrev hur de gjorde det i en artikel förra sommaren i tidskriften Nano Letters. Om vi ​​använder två parallella ytor är det väldigt svårt att trycka till nanometerskala utan att vissa delar berör varandra, förklarar Chen. Istället använde de en liten, rund glaspärla bredvid en plan yta. Objekten kom närmast att röra vid bara en punkt, vilket gjorde separationen mycket lättare att underhålla. Forskarna kunde testa separationer så små som 10 nanometer.

Fynden kan leda till nya typer av solcellsapparater för att utnyttja fotoner som emitteras av en värmekälla, vilket gör det möjligt att skörda energi från värme som annars skulle gå till spillo. De kan också vara användbara i magnetiska datainspelningssystem som datorhårddiskar, där utrymmet mellan inspelningshuvudet och skivytan vanligtvis är i intervallet fem till sex nanometer. Huvudet tenderar att värmas upp, och forskare har letat efter sätt att hantera värmen eller till och med utnyttja den. Till exempel måste vissa inspelningsmaterial värmas upp, vanligtvis med en laserstråle, innan deras ytor kan magnetiseras av huvudet. Om forskarna förstår hur värmeöverföring fungerar på dessa avstånd, kanske de kan designa ett sätt för huvudet att ge sin egen uppvärmning.

Ytterligare arbete behövs fortfarande för att utforska vad som händer på ännu mindre avstånd, säger Chen, eftersom forskarna inte vet exakt hur mycket värme som kan avledas i tätt belägna system.

Dölj