Quando il calore viaggia tra due oggetti che non si toccano, scorre in modo diverso alle scale più piccole - distanze nell'ordine del diametro del DNA, o 1/50, 000 di un capello umano.

Sebbene i ricercatori ne siano consapevoli da decenni, non hanno capito il procedimento. Il flusso di calore spesso deve essere prevenuto o sfruttato e la mancanza di un modo accurato per prevederlo rappresenta un collo di bottiglia nello sviluppo delle nanotecnologie.

Ora, in un esclusivo laboratorio a vibrazioni ultra basse presso l'Università del Michigan, gli ingegneri hanno misurato come il calore si irradia da una superficie all'altra nel vuoto a distanze fino a 2 nanometri.

Mentre l'energia termica fluisce ancora dal luogo più caldo a quello più freddo, i ricercatori hanno scoperto che lo fa 10, 000 volte più veloce di quanto sarebbe alla scala di, dire, un falò e un paio di mani gelide. "Più veloce" qui si riferisce alla velocità con cui la temperatura di un campione cambia la temperatura dell'altro e non alla velocità con cui viaggia il calore stesso. Il calore è una forma di radiazione elettromagnetica, quindi si muove alla velocità della luce. Ciò che è diverso su scala nanometrica è l'efficienza del processo.

"Abbiamo mostrato, per la prima volta, i notevoli miglioramenti dei flussi di calore radiativo nel campo vicino estremo, " ha detto Pramod Reddy, professore associato di ingegneria meccanica e scienza e ingegneria dei materiali. "I nostri esperimenti e calcoli implicano che il calore fluisce diversi ordini di grandezza più velocemente in questi spazi ultra piccoli".

Reddy e Edgar Meyhofer, professore di ingegneria meccanica e ingegneria biomedica, ha condotto i lavori. Un documento sui risultati è stato recentemente pubblicato online in Natura .

I risultati hanno applicazioni in tutta la nanotecnologia. Potrebbero far progredire l'archiviazione delle informazioni di prossima generazione come la registrazione magnetica assistita dal calore. Potrebbero spingere in avanti dispositivi che convertono più direttamente il calore in elettricità, compreso il calore generato in automobili e veicoli spaziali che ora viene sprecato. Questi sono solo alcuni potenziali usi.

Il fenomeno studiato dai ricercatori è il "calore radiativo":la radiazione elettromagnetica, o luce, che tutta la materia sopra lo zero assoluto emette. È l'emissione dell'energia interna della materia dal movimento delle particelle nella materia, movimento che avviene solo al di sopra dello zero assoluto.

Gli scienziati possono spiegare come ciò avvenga a distanze macroscopiche, dimensioni che possiamo facilmente percepire nel mondo che ci circonda, fino ad alcuni che non possiamo vedere. Più di 100 anni fa, il fisico tedesco Max Planck ha scritto le equazioni che lo rendono possibile. Il suo modello descrive accuratamente il trasferimento di calore attraverso vuoti da grandi a relativamente piccoli, raggiungendo i 10 micrometri a temperatura ambiente. Ma quando il divario diventa così stretto che quasi non c'è, le equazioni si rompono.

A metà del secolo scorso, il fisico radiofonico russo Sergei Rytov ha proposto una nuova teoria chiamata "elettrodinamica fluttuante" per descrivere il trasferimento di calore a distanze inferiori a 10 micrometri. Da allora, la ricerca non ha sempre portato a prove a sostegno.

"Ci sono stati esperimenti negli anni '90 o nei primi anni 2000 che hanno cercato di testare ulteriormente queste idee e hanno trovato grandi discrepanze tra ciò che la teoria avrebbe previsto e ciò che gli esperimenti hanno rivelato, "Ha detto Meyhofer.

A causa della raffinatezza del laboratorio U-M, i ricercatori dicono che i loro risultati chiudono il caso, e Rytov aveva ragione.

"Il nostro lavoro, eseguita in collaborazione con i colleghi Professor Juan Carlos Cuevas e Professor Francisco García-Vidal presso l'Universidad Autónoma de Madrid, risolve un'importante controversia e rappresenta un contributo fondamentale nel campo del trasferimento di calore, " Reddy ha detto. "Questi risultati smentiscono l'attuale dogma nel trasferimento di calore su scala nanometrica, che sostiene che il trasferimento di calore radiativo in spazi di dimensioni nanometriche a una cifra non può essere spiegato dalla teoria esistente".

La struttura utilizzata dai ricercatori è una camera a vibrazione ultra bassa nei laboratori G. G. Brown, il complesso di ingegneria meccanica recentemente rinnovato dell'università. La camera, una delle tante, è stata progettata su misura per eseguire esperimenti su nanoscala così precisi che semplici passi potrebbero disturbarli se fossero fatti da qualche altra parte. Le stanze possono resistere alle vibrazioni dall'esterno, come il traffico, e dentro, come gli impianti di riscaldamento e raffrescamento. Limitano anche il rumore acustico, variazioni di temperatura e umidità, così come le radiofrequenze e le interferenze magnetiche.

"La nostra struttura rappresenta il vero stato dell'arte, " Meyhofer ha detto. "Quando si creano spazi su scala nanometrica come quelli necessari per i nostri esperimenti di radiazione di calore su scala nanometrica, la minima perturbazione può rovinare un esperimento."

Nella camera, i ricercatori hanno utilizzato "sonde di microscopia termica a scansione" su misura che hanno permesso loro di studiare direttamente la velocità con cui il calore scorre tra due superfici di silice, nitruro di silicio e oro. I ricercatori hanno scelto questi materiali perché sono comunemente usati nelle nanotecnologie.

Per ogni materiale, hanno designato un campione che sarebbe stato riscaldato a 305 Fahrenheit, and they coated the tip of the probe with the same material, but kept it at a cooler 98 degrees. They slowly moved the sample and the probe together, beginning at 50 nanometers until they were touching, and they measured the temperature of the tip at regular intervals.

The cause of the rapid heat transfer, i ricercatori hanno scoperto, is that in nanoscale gaps there can be an overlap of the two sides' surface and evanescent waves, both of which carry heat.

"These waves reach only a small distance into the gap between materials, " said Bai Song, a graduate student in mechanical engineering and one of the lead authors. "And their intensity at the extreme near-field is enormous compared to the electromagnetic waves at larger distances. When these waves from two different devices overlap, that's when they allow tremendous heat flux."