La conduzione e la radiazione termica sono due modi in cui il calore viene trasferito da un oggetto all'altro:la conduzione è il processo mediante il quale il calore scorre tra gli oggetti in contatto fisico, come una teiera su un fornello caldo, mentre la radiazione termica descrive il flusso di calore su grandi distanze, come il calore emesso dal sole.

Questi due processi fondamentali di trasferimento del calore spiegano come l'energia si muove attraverso distanze microscopiche e macroscopiche. Ma è stato difficile per i ricercatori accertare come il calore fluisce attraverso gli spazi intermedi.

Ora i ricercatori del MIT, l'Università dell'Oklahoma, e la Rutgers University hanno sviluppato un modello che spiega come il calore fluisce tra oggetti separati da spazi inferiori a un nanometro. Il team ha sviluppato un quadro unificato che calcola il trasporto di calore a spazi finiti, e ha dimostrato che il flusso di calore a distanze sub-nanometriche non avviene per irraggiamento o conduzione, ma attraverso il "tunneling fononico".

I fononi rappresentano le unità di energia prodotte dalla vibrazione degli atomi in un reticolo cristallino. Per esempio, un singolo cristallo di sale da cucina contiene atomi di sodio e cloruro, disposti in un reticolo. Insieme, gli atomi vibrano, creando onde meccaniche che possono trasportare calore attraverso il reticolo.

Normalmente queste onde, o fononi, sono in grado di trasportare solo il calore all'interno, e non tra, materiali. Però, la nuova ricerca mostra che i fononi possono raggiungere uno spazio di appena un nanometro, "tunneling" da un materiale all'altro per migliorare il trasporto di calore.

I ricercatori ritengono che il tunneling fononico spieghi la meccanica fisica del trasporto di energia su questa scala, che non può essere chiaramente attribuito né alla conduzione né alla radiazione.

"Questo è proprio nel regime in cui il linguaggio della conduzione e della radiazione è sfocato, "dice Vazrik Chiloyan, uno studente laureato al MIT in ingegneria meccanica. "Stiamo cercando di ottenere un quadro chiaro di cosa sia la fisica in questo regime. Ora abbiamo riunito le informazioni per dimostrare che il tunneling è, infatti, cosa sta succedendo per l'immagine del trasferimento di calore."

Chiloyan e Gang Chen, il professore di ingegneria energetica Carl Richard Soderberg e capo del dipartimento di ingegneria meccanica del MIT, pubblicano i loro risultati questa settimana in Comunicazioni sulla natura .

Cancellazione dell'immagine termica

Negli ultimi decenni, i ricercatori hanno tentato di definire il trasporto di calore su distanze sempre più piccole. Diversi gruppi, compreso quello di Chen, hanno misurato sperimentalmente il flusso di calore per irraggiamento termico attraverso spazi piccoli come decine di nanometri. Però, man mano che gli esperimenti si spostano su spazi ancora più piccoli, i ricercatori hanno messo in dubbio la validità delle teorie attuali:i modelli esistenti sono stati in gran parte basati su teorie per la radiazione termica che, secondo Chiloyan, "hanno spalmato il dettaglio atomico, "semplificando eccessivamente il flusso di calore da atomo ad atomo.

In contrasto, esiste una teoria per la conduzione del calore, nota come funzioni di Green, che descrive il flusso di calore a livello atomico per i materiali a contatto. La teoria consente ai ricercatori di calcolare la frequenza delle vibrazioni che possono viaggiare attraverso l'interfaccia tra due materiali.

"Ma con le funzioni di Green, le interazioni atomo-atomo tendono a diminuire dopo pochi vicini. … Avresti previsto artificialmente un trasferimento di calore pari a zero dopo alcune separazioni di atomi, " Chiloyan dice. "Per prevedere effettivamente il trasferimento di calore attraverso il divario, devi includere il lungo raggio, forze elettromagnetiche".

Tipicamente, le forze elettromagnetiche possono essere descritte dalle equazioni di Maxwell, un insieme di quattro equazioni fondamentali che delineano il comportamento dell'elettricità e del magnetismo. Per spiegare il trasferimento di calore su scala microscopica, però, Chiloyan e Chen hanno dovuto scovare la forma meno nota nota come equazioni microscopiche di Maxwell.

"La maggior parte delle persone probabilmente non sa che esiste una microscopica equazione di Maxwell, e siamo dovuti andare a quel livello per colmare l'immagine atomica, " dice Chen.

Colmare il gap

Il team ha sviluppato un modello di trasporto del calore, basato sia sulle funzioni di Green che sulle equazioni microscopiche di Maxwell. I ricercatori hanno utilizzato il modello per prevedere il flusso di calore tra due reticoli di cloruro di sodio, o sale da cucina, separati da uno spazio nanometrico.

Con il modello, Chiloyan e Chen sono stati in grado di calcolare e sommare i campi elettromagnetici emessi dai singoli atomi, in base alle loro posizioni e forze all'interno di ciascun reticolo. Mentre le vibrazioni atomiche, o fononi, in genere non è in grado di trasportare calore per distanze maggiori di pochi atomi, il team ha scoperto che la somma della forza elettromagnetica degli atomi può creare un "ponte" per l'attraversamento dei fononi.

Quando hanno modellato il flusso di calore tra due reticoli di cloruro di sodio, i ricercatori hanno scoperto che il calore scorreva da un reticolo all'altro tramite tunneling fononico, a intervalli di un nanometro e inferiori.

A gap sub-nanometrici "è un regime in cui ci manca un linguaggio adeguato, " Dice Chen. "Ora abbiamo sviluppato un quadro per spiegare questa transizione fondamentale, colmare questa lacuna».