Tutti si sono seduti fuori in una giornata di sole e sono stati riscaldati dai raggi del sole. Ciò avviene attraverso un processo noto come trasferimento di calore radiativo:il sole emette luce (radiazione elettromagnetica), che viaggia verso la Terra e riscalda gli oggetti che la assorbono. Il trasferimento di calore radiativo è anche il meccanismo alla base delle termocamere.

Ogni oggetto caldo, compresi gli esseri umani, emette luce, permettendogli di cedere calore e termalizzare nell'ambiente. Le lunghezze d'onda, o colori della luce che vengono emessi, dipendono dalla temperatura dell'oggetto, con il sole abbastanza caldo da produrre luce visibile e i corpi umani che emettono luce che non è visibile all'occhio ma può essere rilevata da sensori a infrarossi.

Per oggetti macroscopici, il trasferimento di calore radiativo è accuratamente descritto dalla nota legge di Planck della radiazione del corpo nero, comunemente visto nelle classi di fisica universitaria. Quando la dimensione di un oggetto si avvicina alla nanoscala, però, La legge di Planck non si applica più. A questa scala, centinaia o migliaia di volte più piccolo dello spessore di un capello umano, lo scambio radiativo di calore può essere molte volte più efficiente rispetto alla macroscala.

Il controllo del trasferimento di calore radiativo su nanoscala può consentire lo sviluppo di un'ampia gamma di applicazioni. Un esempio è il termofotovoltaico, una tecnologia che cerca di convertire il calore disperso prodotto, ad esempio, da motori e fabbriche in elettricità utilizzabile. Un'altra applicazione prevede il raffreddamento dei componenti elettronici nei microchip, le cui dimensioni hanno già raggiunto la nanoscala. Tecniche di gestione termica migliorate per questi dispositivi possono aiutare a prevenire il surriscaldamento dei computer e facilitare lo sviluppo di chip con più transistor.

Ispirato da questa grande promessa, scienziati dell'Università del New Mexico, Laboratorio Nazionale di Los Alamos (LANL), e l'Istituto di ottica in Spagna hanno pubblicato uno studio che fornisce nuove informazioni sul modo in cui le collezioni di nanoparticelle scambiano calore radiativamente tra loro e con il loro ambiente. Il loro lavoro, intitolato "Near-Field Radiative Heat Transfer Eigenmodes" è stato pubblicato sulla rivista Lettere di revisione fisica recentemente.

Prima di questo lavoro, gli scienziati sapevano come calcolare le dinamiche di termalizzazione delle disposizioni delle nanoparticelle, ma i calcoli richiedono notevoli risorse computazionali che diventano proibitive anche per sistemi con una dozzina di particelle. In questo studio, guidato da Alejandro Manjavacas in collaborazione con Diego Dalvit e Wilton Kort-Kamp di LANL, i ricercatori hanno sviluppato un quadro teorico che consente la descrizione efficiente e semplice delle dinamiche di termalizzazione di sistemi anche con migliaia di nanoparticelle.

"Il nostro metodo fornisce un approccio elegante ed efficiente per risolvere problemi che esistono da tempo, " disse Manjavacas.

Il quadro teorico dei ricercatori scompone le dinamiche del trasferimento di calore radiativo utilizzando semplici tecniche matematiche che si incontrerebbero in una classe di algebra lineare universitaria. Così facendo, non solo sono stati in grado di studiare la termalizzazione di grandi e complessi sistemi, ma anche scoprire intuizioni fisiche che si presentano in modi inaspettati.

Per esempio, la squadra ha scoperto che, quando una disposizione di nanoparticelle ha inizialmente una certa quantità di calore immagazzinata al suo interno, il sistema si avvicinerà alla temperatura del suo ambiente allo stesso modo, indipendentemente da quali particelle sono calde. In contrasto, se il calore totale inizialmente in un sistema è zero, come quando una nanoparticella è più calda dell'ambiente e un'altra è più fredda, il sistema raggiunge l'equilibrio termico più rapidamente di qualsiasi distribuzione di temperatura con un po' di calore iniziale. Questo è vero anche se quest'ultimo caso richiede una variazione di temperatura molto minore rispetto al primo.

Un altro comportamento interessante descritto dagli autori riguarda un'evoluzione oscillatoria della temperatura di una nanoparticella mentre si termalizza all'ambiente:nel corso della termalizzazione, la nanoparticella si raffredda e si riscalda più volte, anche se l'ambiente rimane sempre alla stessa temperatura.

"Ho trovato questo progetto molto eccitante perché prevede l'applicazione di concetti matematici di base ma eleganti a un problema di fisica all'avanguardia, " ha detto l'autore principale del documento, Stefano Sanders, che si laureerà presto all'UNM con il suo dottorato di ricerca. in fisica con l'intenzione di trasferirsi alla Rice University come Rice Academy Fellow.

Un altro studente laureato coinvolto con la carta, Lauren Zundel, che è un borsista laureato del Dipartimento di scienze computazionali dell'energia, dice, "È stato fantastico applicare ciò che ho imparato sulla scienza computazionale per risolvere un problema come questo".