La conduction et le rayonnement thermique sont deux manières par lesquelles la chaleur est transférée d'un objet à un autre :la conduction est le processus par lequel la chaleur circule entre les objets en contact physique, comme une théière sur une cuisinière chaude, tandis que le rayonnement thermique décrit le flux de chaleur sur de grandes distances, comme la chaleur émise par le soleil.

Ces deux processus fondamentaux de transfert de chaleur expliquent comment l'énergie se déplace sur des distances microscopiques et macroscopiques. Mais il a été difficile pour les chercheurs de déterminer comment la chaleur circule à travers les espaces intermédiaires.

Aujourd'hui chercheurs au MIT, l'Université de l'Oklahoma, et l'Université Rutgers ont développé un modèle qui explique comment la chaleur circule entre des objets séparés par des espaces de moins d'un nanomètre. L'équipe a développé un cadre unifié qui calcule le transport de chaleur à des écarts finis, et a montré que le flux de chaleur à des distances inférieures au nanomètre ne se produit pas par rayonnement ou conduction, mais par "tunnelage de phonons".

Les phonons représentent des unités d'énergie produites par la vibration d'atomes dans un réseau cristallin. Par exemple, un monocristal de sel de table contient des atomes de sodium et de chlorure, disposés selon un motif en treillis. Ensemble, les atomes vibrent, créant des ondes mécaniques qui peuvent transporter la chaleur à travers le réseau.

Normalement ces vagues, ou phonons, ne peuvent transporter la chaleur qu'à l'intérieur, et non entre, matériaux. Cependant, la nouvelle recherche montre que les phonons peuvent atteindre un espace aussi petit qu'un nanomètre, "tunneling" d'un matériau à un autre pour améliorer le transport de la chaleur.

Les chercheurs pensent que l'effet tunnel des phonons explique la mécanique physique du transport d'énergie à cette échelle, qui ne peut être clairement attribué ni à la conduction ni au rayonnement.

"C'est juste dans le régime où le langage de la conduction et du rayonnement est brouillé, " dit Vazrik Chiloyan, un étudiant diplômé du MIT en génie mécanique. "Nous essayons de trouver une image claire de ce qu'est la physique dans ce régime. Maintenant, nous avons rassemblé des informations pour démontrer que le tunnel est, En réalité, que se passe-t-il pour l'image de transfert de chaleur."

Chiloyan et Gang Chen, le professeur Carl Richard Soderberg de génie électrique et chef du département de génie mécanique du MIT, publient leurs résultats cette semaine dans Communication Nature .

Effacement de l'image thermique

Au cours des dernières décennies, les chercheurs ont tenté de définir le transport de chaleur sur des distances de plus en plus petites. Plusieurs groupes, y compris celui de Chen, ont mesuré expérimentalement le flux de chaleur par rayonnement thermique à travers des espaces aussi petits que des dizaines de nanomètres. Cependant, à mesure que les expériences passent à un espacement encore plus petit, les chercheurs ont remis en question la validité des théories actuelles :les modèles existants sont largement basés sur des théories du rayonnement thermique qui, selon Chiloyan, « ont brouillé les détails atomiques, " simplifier à l'extrême le flux de chaleur d'atome à atome.

En revanche, il existe une théorie de la conduction thermique, connue sous le nom de fonctions de Green, qui décrit le flux de chaleur au niveau atomique pour les matériaux en contact. La théorie permet aux chercheurs de calculer la fréquence des vibrations qui peuvent traverser l'interface entre deux matériaux.

"Mais avec les fonctions de Green, les interactions d'atome à atome ont tendance à diminuer après quelques voisins. … Vous prédiriez artificiellement un transfert de chaleur nul après quelques séparations d'atomes, " dit Chiloyan. " Pour réellement prédire le transfert de chaleur à travers l'espace, vous devez inclure une longue portée, forces électromagnétiques."

Typiquement, les forces électromagnétiques peuvent être décrites par les équations de Maxwell, un ensemble de quatre équations fondamentales qui décrivent le comportement de l'électricité et du magnétisme. Pour expliquer le transfert de chaleur à l'échelle microscopique, cependant, Chiloyan et Chen ont dû déterrer la forme moins connue connue sous le nom d'équations microscopiques de Maxwell.

"La plupart des gens ne savent probablement pas qu'il existe une équation de Maxwell microscopique, et nous avons dû aller à ce niveau pour combler l'image atomique, " dit Chen.

Combler le fossé

L'équipe a développé un modèle de transport de chaleur, basé à la fois sur les fonctions de Green et les équations microscopiques de Maxwell. Les chercheurs ont utilisé le modèle pour prédire le flux de chaleur entre deux réseaux de chlorure de sodium, ou du sel de table, séparés par un espace nanométrique.

Avec le modèle, Chiloyan et Chen ont pu calculer et additionner les champs électromagnétiques émis par des atomes individuels, en fonction de leurs positions et de leurs forces au sein de chaque réseau. Alors que les vibrations atomiques, ou phonons, ne peut généralement pas transporter la chaleur sur des distances supérieures à quelques atomes, l'équipe a découvert que la force électromagnétique additionnée des atomes peut créer un "pont" à traverser pour les phonons.

Lorsqu'ils ont modélisé le flux de chaleur entre deux réseaux de chlorure de sodium, les chercheurs ont découvert que la chaleur circulait d'un réseau à l'autre via un tunnel de phonons, à des écarts d'un nanomètre et moins.

Aux écarts inférieurs au nanomètre « est un régime où nous manquons de langage approprié, " dit Chen. " Maintenant, nous avons développé un cadre pour expliquer cette transition fondamentale, combler ce fossé."