Lorsque la chaleur circule entre deux objets qui ne se touchent pas, il s'écoule différemment aux plus petites échelles - des distances de l'ordre du diamètre de l'ADN, ou 1/50, 000 d'un cheveu humain.

Alors que les chercheurs en sont conscients depuis des décennies, ils n'ont pas compris le processus. Le flux de chaleur doit souvent être empêché ou exploité et l'absence d'un moyen précis de le prédire représente un goulot d'étranglement dans le développement des nanotechnologies.

Maintenant, dans un laboratoire à vibrations ultra-faibles unique à l'Université du Michigan, les ingénieurs ont mesuré comment la chaleur rayonne d'une surface à une autre dans le vide à des distances allant jusqu'à 2 nanomètres.

Alors que l'énergie thermique circule toujours de l'endroit le plus chaud vers le plus froid, les chercheurs ont découvert que c'est le cas 10, 000 fois plus rapide qu'à l'échelle de, dire, un feu de joie et une paire de mains froides. "Plus rapide" fait référence ici à la vitesse à laquelle la température d'un échantillon change la température de l'autre - et non à la vitesse à laquelle la chaleur elle-même se déplace. La chaleur est une forme de rayonnement électromagnétique, il se déplace donc à la vitesse de la lumière. Ce qui est différent à l'échelle nanométrique, c'est l'efficacité du processus.

"Nous avons montré, pour la première fois, les augmentations spectaculaires des flux de chaleur radiative dans l'extrême champ proche, " dit Pramod Reddy, professeur agrégé de génie mécanique et de science et ingénierie des matériaux. "Nos expériences et nos calculs impliquent que la chaleur circule plusieurs ordres de grandeur plus rapidement dans ces espaces ultra petits."

Reddy et Edgar Meyhofer, professeur de génie mécanique et de génie biomédical, dirigé les travaux. Un article sur les résultats vient d'être publié en ligne dans La nature .

Les résultats ont des applications à travers la nanotechnologie. Ils pourraient faire progresser le stockage d'informations de nouvelle génération, tel que l'enregistrement magnétique assisté par la chaleur. Ils pourraient proposer des appareils qui convertissent plus directement la chaleur en électricité, y compris la chaleur générée dans les voitures et les engins spatiaux qui est maintenant gaspillée. Ce ne sont là que quelques utilisations potentielles.

Le phénomène que les chercheurs ont étudié est la « chaleur radiative », c'est-à-dire le rayonnement électromagnétique, ou léger, que toute la matière au-dessus du zéro absolu émet. C'est l'émission de l'énergie interne de la matière par le mouvement des particules dans la matière, mouvement qui ne se produit qu'au-dessus du zéro absolu.

Les scientifiques peuvent expliquer comment cela se produit à des distances macroscopiques, dimensions que nous pouvons facilement percevoir dans le monde qui nous entoure, jusqu'à certains que nous ne pouvons pas voir. Il y a plus de 100 ans, le physicien allemand Max Planck a écrit les équations qui rendent cela possible. Son modèle décrit avec précision le transfert de chaleur à travers des vides grands à relativement petits, atteignant 10 micromètres à température ambiante. Mais quand l'écart devient si étroit, il n'est presque pas là, les équations s'effondrent.

Au milieu du siècle dernier, le radiophysicien russe Sergei Rytov a proposé une nouvelle théorie appelée "électrodynamique fluctuante" pour décrire le transfert de chaleur à des distances inférieures à 10 micromètres. Depuis, la recherche n'a pas toujours abouti à des preuves à l'appui.

"Il y a eu des expériences dans les années 1990 ou au début des années 2000 qui ont essayé de tester davantage ces idées et elles ont trouvé de grandes divergences entre ce que la théorie prédirait et ce que les expériences révélaient, " a déclaré Meyhofer.

En raison de la sophistication du laboratoire U-M, les chercheurs disent que leurs découvertes clôturent l'affaire, et Rytov avait raison.

« Notre travail, réalisée en collaboration avec ses collègues le professeur Juan Carlos Cuevas et le professeur Francisco García-Vidal à l'Universidad Autónoma de Madrid, résout une controverse importante et représente une contribution clé dans le domaine du transfert de chaleur, " Reddy a déclaré. "Ces résultats réfutent le dogme actuel dans le transfert de chaleur à l'échelle nanométrique, qui soutient que le transfert de chaleur radiatif dans des espaces de la taille du nanomètre à un chiffre ne peut pas être expliqué par la théorie existante. »

L'installation utilisée par les chercheurs est une chambre à vibration ultra-faible dans les laboratoires G. G. Brown, le complexe de génie mécanique récemment rénové de l'université. La chambre, l'une des nombreuses, a été conçue sur mesure pour effectuer des expériences à l'échelle nanométrique si précises que de simples pas pourraient les perturber si elles étaient effectuées ailleurs. Les pièces peuvent résister aux vibrations de l'extérieur, comme le trafic, et à l'intérieur, tels que les systèmes de chauffage et de refroidissement. Ils limitent également le bruit acoustique, variations de température et d'humidité, ainsi que les fréquences radio et les interférences magnétiques.

"Notre installation représente le véritable état de l'art, " Meyhofer a déclaré. "Lors de la création d'espaces à l'échelle nanométrique tels que ceux requis pour nos expériences de rayonnement thermique à l'échelle nanométrique, la moindre perturbation peut ruiner une expérience."

Dans la chambre, les chercheurs ont utilisé des "sondes de microscopie thermique à balayage" sur mesure qui leur ont permis d'étudier directement à quelle vitesse la chaleur circule entre deux surfaces de silice, nitrure de silicium et or. Les chercheurs ont choisi ces matériaux car ils sont couramment utilisés en nanotechnologie.

Pour chaque matériau, ils ont désigné un échantillon qui serait chauffé à 305 degrés 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, les chercheurs ont découvert, 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."