In un nuovo studio recentemente pubblicato su Nanotecnologia della natura , ricercatori della Columbia Engineering, Cornell, e Stanford hanno dimostrato che il trasferimento di calore può essere reso 100 volte più forte di quanto previsto, semplicemente avvicinando due oggetti, a distanze su scala nanometrica, senza toccarli. Guidati da Michal Lipson della Columbia Engineering e Shanhui Fan della Stanford Engineering, il team ha utilizzato regolatori di spostamento micromeccanici ad altissima precisione su misura per ottenere il trasferimento di calore utilizzando la luce alla massima magnitudine riportata fino ad oggi tra due oggetti paralleli.

"A separazioni di appena 40 nanometri, abbiamo ottenuto un miglioramento di quasi 100 volte del trasferimento di calore rispetto alle previsioni classiche, "dice Lipson, Eugene Higgins Professore di Ingegneria Elettrica e professore di fisica applicata. "Questo è molto eccitante in quanto significa che la luce potrebbe ora diventare un canale di trasferimento di calore dominante tra gli oggetti che di solito scambiano calore principalmente per conduzione o convezione. E, mentre altri team hanno già dimostrato il trasferimento di calore utilizzando la luce su scala nanometrica, siamo i primi a raggiungere prestazioni utilizzabili per applicazioni energetiche, come convertire direttamente il calore in elettricità utilizzando celle fotovoltaiche".

Tutti gli oggetti nel nostro ambiente scambiano calore con l'ambiente circostante utilizzando la luce. Questo include la luce che ci arriva dal sole, il colore rosso brillante della resistenza all'interno dei nostri forni tostapane, o le telecamere "visione notturna" che consentono la registrazione delle immagini anche in completa oscurità. Ma lo scambio di calore con la luce è solitamente molto debole rispetto a quello che può essere ottenuto per conduzione (cioè, semplicemente mettendo due oggetti in contatto tra loro) o per convezione (cioè, utilizzando aria calda). Trasferimento di calore radiativo a distanze nanometriche, mentre teorizzato, è stato particolarmente difficile da raggiungere a causa della difficoltà di mantenere grandi gradienti termici su distanze nanometriche evitando altri meccanismi di trasferimento di calore come la conduzione.

Il team di Lipson è stato in grado di portare oggetti a temperature diverse molto vicini l'uno all'altro, a distanze inferiori a 100 nanometri, o 1/1000 del diametro di una ciocca di capelli umani. Sono stati in grado di dimostrare il trasferimento di calore radiativo in campo vicino tra nanofasci paralleli di SiC (carburo di silicio) nel regime della lunghezza d'onda profonda. Hanno utilizzato un sistema microelettromeccanico (MEMS) ad alta precisione per controllare la distanza tra i fasci e hanno sfruttato la stabilità meccanica dei nanofasci sottoposti a sollecitazioni di trazione elevate per ridurre al minimo gli effetti di instabilità termica, mantenendo così il controllo della separazione su scala nanometrica anche a grandi gradienti termici.

Utilizzando questo approccio, il team è stato in grado di portare due oggetti paralleli a temperature diverse a distanze fino a 42 nm senza toccarli. In questo caso hanno osservato che il trasferimento di calore tra gli oggetti era quasi 100 volte più forte di quanto previsto dalle leggi convenzionali sulla radiazione termica (cioè "radiazione del corpo nero"). Sono stati in grado di ripetere questo esperimento per differenze di temperatura fino a 260oC (500oF) tra i due oggetti. Tale differenza di temperatura elevata è particolarmente importante per le applicazioni di conversione dell'energia poiché, in questi casi, l'efficienza di conversione è sempre proporzionale alla differenza termica tra gli oggetti caldi e quelli freddi coinvolti.

"Un'importante implicazione del nostro lavoro è che la radiazione termica può ora essere utilizzata come meccanismo dominante di trasferimento del calore tra oggetti a temperature diverse, " spiega Raphael St-Gelais, l'autore principale dello studio e borsista post-dottorato che lavora con Lipson alla Columbia Engineering. "Ciò significa che possiamo controllare il flusso di calore con molte delle stesse tecniche che abbiamo per manipolare la luce. Questo è un grosso problema poiché ci sono molte cose interessanti che possiamo fare con la luce, come convertirlo in elettricità utilizzando celle fotovoltaiche."

St-Gelais e Linxiao Zhu, che è co-autore dello studio ed è un dottorando nel gruppo di Fan a Stanford, si noti che l'approccio del team può essere scalato fino a un'area effettiva più ampia semplicemente disponendo diversi nanofasci, sopra una cella fotovoltaica, per esempio, e controllando individualmente il loro spostamento fuori dal piano utilizzando attuatori MEMS. I ricercatori stanno ora cercando di applicare il loro stesso approccio per il controllo dello spostamento ad altissima precisione, questa volta con una vera e propria cella fotovoltaica per generare elettricità direttamente dal calore.

"Questo molto forte, senza contatto, il canale di trasferimento del calore potrebbe essere utilizzato per controllare la temperatura di delicati dispositivi nano che non possono essere toccati, o per convertire in modo molto efficiente il calore in elettricità irradiando grandi quantità di calore da un oggetto caldo a una cella fotovoltaica nella sua estrema vicinanza, " aggiunge Lipson. "E se riusciamo a far brillare una grande quantità di calore sotto forma di luce da un oggetto caldo a una cella fotovoltaica, potremmo potenzialmente creare moduli compatti per la conversione diretta del calore in energia elettrica. Questi moduli possono essere utilizzati all'interno di automobili, ad esempio, per riconvertire il calore disperso dal motore a combustione in energia elettrica utile. Potremmo anche usarli nelle nostre case per generare elettricità da fonti energetiche alternative come i biocarburanti e l'energia solare immagazzinata".