Une équipe de chercheurs dirigée par l'Université du Massachusetts à Amherst a récemment découvert une exception à la loi vieille de 200 ans, connue sous le nom de loi de Fourier, qui régit la manière dont la chaleur se diffuse à travers les matériaux solides.

Bien que les scientifiques aient déjà montré qu'il existe des exceptions à la loi à l'échelle nanométrique, la recherche, publiée dans les Proceedings of the National Academy of Sciences , est le premier à montrer que cette loi ne s'applique pas toujours à l'échelle macro et que le rayonnement électromagnétique pur est également à l'œuvre dans certains matériaux courants comme les plastiques et les verres.

"Cette recherche a commencé avec une question simple", explique Steve Granick, professeur Robert K. Barrett de science et d'ingénierie des polymères à l'UMass Amherst et auteur principal de l'article. "Et si la chaleur pouvait être transmise par une autre voie, pas seulement celle que les gens pensaient ?"

La chaleur rayonnante est la chaleur que nous ressentons du soleil; ses ondes électromagnétiques réchauffent notre peau lorsque le soleil brille. La diffusion, quant à elle, est la façon dont votre tasse de thé réchauffera votre main après que vous vous en soyez servi une nouvelle tasse. Depuis 200 ans, les scientifiques croient que la diffusion explique la façon dont la chaleur se propage à travers les solides. "Mais parfois", explique Granick, "la créativité exige que l'on mette le manuel de côté pendant un moment."

Granick, Shankar Ghosh de l'Institut Tata pour la recherche fondamentale et l'auteur principal Kaikai Zheng, chercheur principal à l'UMass Amherst, ont émis l'hypothèse qu'une exception à la loi de Fourier pourrait être trouvée dans les polymères translucides et les verres inorganiques. La chaleur se diffuse à travers les deux matériaux, mais l'équipe a émis l'hypothèse que leur translucidité pourrait également permettre à l'énergie de rayonner à travers les matériaux.

Pour tester cette hypothèse, ils ont placé des échantillons de matériaux dans une chambre à vide, ce qui éliminerait l'air responsable de la distribution convective de la chaleur. Ils ont ensuite créé une impulsion de chaleur dans un échantillon en utilisant un laser pour chauffer une petite zone et, dans l'autre échantillon, ont chauffé un côté tout en gardant l'autre côté froid.

Ils ont ensuite utilisé une caméra infrarouge spéciale pour observer la propagation de la chaleur dans leurs échantillons. En répétant l'expérience plusieurs fois, ils ont découvert des anomalies que la loi de Fourier ne pouvait pas entièrement expliquer.

"Personne n'a essayé cela auparavant", déclare Zheng. "Il se passe quelque chose d'inattendu au sein des polymères translucides."

Il s’avère que les matériaux translucides permettent à l’énergie de rayonner à l’intérieur, interagissant avec de petites imperfections structurelles, qui deviennent alors des sources de chaleur secondaires. Ces sources de chaleur secondaires elles-mêmes continuent à rayonner de la chaleur à travers le matériau.

"Ce n'est pas que la loi de Fourier soit fausse", souligne Granick, "simplement qu'elle n'explique pas tout ce que nous voyons en matière de transmission de chaleur. La recherche fondamentale comme la nôtre nous donne une meilleure compréhension du fonctionnement de la chaleur, ce qui proposer aux ingénieurs de nouvelles stratégies pour concevoir des circuits de chaleur."

Plus d'informations : Granick, Steve et al, Exceptions à la loi de Fourier à l'échelle macro, Actes de l'Académie nationale des sciences (2024). DOI :10.1073/pnas.2320337121. est ce que je.org/10.1073/pnas.2320337121

Fourni par l'Université du Massachusetts Amherst