Un team di ricercatori guidati dall'Università del Massachusetts Amherst ha recentemente trovato un'eccezione alla legge vecchia di 200 anni, nota come Legge di Fourier, che regola il modo in cui il calore si diffonde attraverso i materiali solidi.
Sebbene gli scienziati abbiano dimostrato in precedenza che esistono eccezioni alla legge su scala nanometrica, la ricerca, pubblicata negli Proceedings of the National Academy of Sciences , è il primo a dimostrare che la legge non è sempre vera su scala macro e che la radiazione elettromagnetica pura è all'opera anche in alcuni materiali comuni come plastica e vetro.
"Questa ricerca è iniziata con una semplice domanda", afferma Steve Granick, Robert K. Barrett professore di scienza e ingegneria dei polimeri presso l'UMass Amherst e autore senior dell'articolo. "E se il calore potesse essere trasmesso attraverso un altro percorso, non solo quello ipotizzato dalle persone?"
Il calore radiante è il calore che sentiamo dal sole; le sue onde elettromagnetiche riscaldano la nostra pelle quando splende il sole. La diffusione, d'altra parte, è il modo in cui la tua tazza da tè ti scalderà la mano dopo che te ne sarai versato una nuova tazza. Per 200 anni gli scienziati hanno creduto che la diffusione spiegasse come il calore si propaga attraverso i solidi. "Ma a volte", dice Granick, "la creatività richiede di mettere da parte il libro di testo per un momento."
Granick, Shankar Ghosh del Tata Institute for Fundamental Research e l'autore principale Kaikai Zheng, ricercatore senior presso l'UMass Amherst, hanno ipotizzato che un'eccezione alla legge di Fourier potrebbe essere trovata nei polimeri traslucidi e nei vetri inorganici. Il calore si diffonde attraverso entrambi i materiali, ma il team ha ipotizzato che la loro traslucenza potrebbe anche consentire all'energia di irradiarsi anche attraverso i materiali.
Per verificare l'ipotesi, hanno posizionato campioni dei materiali in una camera a vuoto, che eliminerebbe l'aria responsabile della distribuzione convettiva del calore. Hanno quindi creato un impulso di calore in un campione utilizzando un laser per riscaldare una piccola area e, nell'altro campione, hanno riscaldato un lato mantenendo freddo l'altro.
Hanno quindi utilizzato una speciale telecamera a infrarossi per osservare la diffusione del calore attraverso i loro campioni. Ripetendo l'esperimento molte volte, continuarono a trovare anomalie che la legge di Fourier non riusciva a spiegare del tutto.
"Nessuno l'ha provato prima", dice Zheng. "Sta accadendo qualcosa di inaspettato nei polimeri traslucidi."
Si scopre che i materiali traslucidi permettono all’energia di irradiarsi internamente, interagendo con piccole imperfezioni strutturali, che poi diventano fonti di calore secondarie. Queste stesse fonti di calore secondarie continuano a irradiare calore attraverso il materiale.
"Non è che la legge di Fourier sia sbagliata," si affretta a sottolineare Granick, "solo che non spiega tutto ciò che vediamo quando si tratta di trasmissione del calore. Ricerche fondamentali come la nostra ci forniscono una comprensione più ampia di come funziona il calore, il che ci permetterà di offrire agli ingegneri nuove strategie per progettare circuiti di calore."
Ulteriori informazioni: Granick, Steve et al, Eccezioni alla legge di Fourier su scala macro, Atti dell'Accademia nazionale delle scienze (2024). DOI:10.1073/pnas.2320337121. doi.org/10.1073/pnas.2320337121
Fornito dall'Università del Massachusetts Amherst
