Une vidéo du système micro-électromécanique (MEMS) de haute précision utilisé pour contrôler la distance entre deux faisceaux à différentes températures. La vidéo est prise sous un microscope à fort grossissement. La dimension entière de l'image vidéo est comparable au diamètre d'un cheveu humain. Crédit :Raphaël St-Gelais, Groupe de nanophotonique Lipson, Britannique Ingénierie
Dans une nouvelle étude publiée récemment dans Nature Nanotechnologie , chercheurs de Columbia Engineering, Cornell, et Stanford ont démontré que le transfert de chaleur peut être 100 fois plus fort que prévu, simplement en rapprochant deux objets extrêmement proches, à des distances nanométriques, sans se toucher. Dirigé par Michal Lipson de Columbia Engineering et Shanhui Fan de Stanford Engineering, l'équipe a utilisé des contrôleurs de déplacement micromécaniques de très haute précision sur mesure pour réaliser un transfert de chaleur en utilisant la lumière à la plus grande magnitude rapportée à ce jour entre deux objets parallèles.
"A des séparations aussi petites que 40 nanomètres, nous avons obtenu une amélioration presque 100 fois supérieure du transfert de chaleur par rapport aux prédictions classiques, " dit Lipson, Eugene Higgins Professeur de génie électrique et professeur de physique appliquée. "C'est très excitant car cela signifie que la lumière pourrait maintenant devenir un canal de transfert de chaleur dominant entre des objets qui échangent généralement de la chaleur principalement par conduction ou convection. Et, tandis que d'autres équipes ont déjà démontré un transfert de chaleur utilisant la lumière à l'échelle nanométrique, nous sommes les premiers à atteindre des performances utilisables pour des applications énergétiques, comme la conversion directe de la chaleur en électricité à l'aide de cellules photovoltaïques."
Tous les objets de notre environnement échangent de la chaleur avec leur environnement grâce à la lumière. Cela inclut la lumière qui nous vient du soleil, la couleur rouge éclatante de l'élément chauffant à l'intérieur de nos fours grille-pain, ou encore les caméras « vision nocturne » qui permettent d'enregistrer des images même dans l'obscurité la plus complète. Mais l'échange de chaleur utilisant la lumière est généralement très faible par rapport à ce qui peut être réalisé par conduction (c'est-à-dire, en mettant simplement deux objets en contact l'un avec l'autre) ou par convection (c'est-à-dire, en utilisant de l'air chaud). Transfert de chaleur radiatif à des distances nanométriques, bien que théorisé, a été particulièrement difficile à réaliser en raison de la difficulté de maintenir de grands gradients thermiques sur des distances à l'échelle nanométrique tout en évitant d'autres mécanismes de transfert de chaleur comme la conduction.
Un schéma de deux faisceaux à différentes températures échangeant de la chaleur à l'aide de la lumière. Dans la situation où les faisceaux sont éloignés les uns des autres (gauche), le transfert de chaleur résultant du rayonnement thermique est faible. Lorsque les faisceaux sont très proches les uns des autres (à droite), le transfert de chaleur devient presque 100 fois plus important que prévu par les lois conventionnelles de rayonnement thermique. Crédit :Raphaël St-Gelais, Groupe de nanophotonique Lipson, Britannique Ingénierie
L'équipe de Lipson a pu rapprocher des objets à différentes températures très proches les uns des autres, à des distances inférieures à 100 nanomètres, ou 1/1000ème du diamètre d'une mèche de cheveux humains. Ils ont pu démontrer un transfert de chaleur radiatif en champ proche entre des nanofaisceaux parallèles de SiC (carbure de silicium) dans le régime de sous-longueur d'onde profonde. Ils ont utilisé un système micro-électromécanique (MEMS) de haute précision pour contrôler la distance entre les poutres et exploité la stabilité mécanique des nanopoutres sous contrainte de traction élevée pour minimiser les effets de flambage thermique, gardant ainsi le contrôle de la séparation à l'échelle nanométrique même à des gradients thermiques importants.
En utilisant cette approche, l'équipe a pu amener deux objets parallèles à des températures différentes à des distances aussi petites que 42 nm sans se toucher. Dans ce cas, ils ont observé que le transfert de chaleur entre les objets était près de 100 fois plus fort que ce qui est prédit par les lois conventionnelles du rayonnement thermique (c'est-à-dire le "rayonnement du corps noir"). Ils ont pu répéter cette expérience pour des différences de température aussi élevées que 260oC (500oF) entre les deux objets. Une telle différence de température élevée est particulièrement importante pour les applications de conversion d'énergie car, dans ces cas, le rendement de conversion est toujours proportionnel à la différence thermique entre les objets chauds et froids concernés.
« Une implication importante de notre travail est que le rayonnement thermique peut désormais être utilisé comme mécanisme de transfert de chaleur dominant entre des objets à différentes températures, " explique Raphaël St-Gelais, l'auteur principal de l'étude et boursier postdoctoral travaillant avec Lipson à Columbia Engineering. "Cela signifie que nous pouvons contrôler le flux de chaleur avec beaucoup des mêmes techniques que nous avons pour manipuler la lumière. C'est un gros problème car il y a beaucoup de choses intéressantes que nous pouvons faire avec la lumière, comme la convertir en électricité à l'aide de cellules photovoltaïques.
St-Gelais et Linxiao Zhu, co-auteur de l'étude et doctorant dans le groupe Fan à Stanford, notez que l'approche de l'équipe peut être étendue à une plus grande surface efficace en disposant simplement plusieurs nanofaisceaux au-dessus d'une cellule photovoltaïque, par exemple, et en contrôlant individuellement leur déplacement hors plan à l'aide d'actionneurs MEMS. Les chercheurs envisagent maintenant d'appliquer leur même approche pour le contrôle de déplacement de très haute précision, cette fois avec une véritable cellule photovoltaïque pour générer de l'électricité directement à partir de la chaleur.
"Ce très fort, sans contact, le canal de transfert de chaleur pourrait être utilisé pour contrôler la température de nano-dispositifs délicats qui ne peuvent pas être touchés, ou pour convertir très efficacement la chaleur en électricité en rayonnant de grandes quantités de chaleur d'un objet chaud vers une cellule photovoltaïque à son extrême proximité, " Ajoute Lipson. " Et si nous pouvons faire briller une grande quantité de chaleur sous forme de lumière d'un objet chaud vers une cellule photovoltaïque, nous pourrions potentiellement créer des modules compacts pour la conversion directe de la chaleur en énergie électrique. Ces modules pourraient être utilisés à l'intérieur des voitures, par exemple, pour reconvertir la chaleur perdue du moteur à combustion en énergie électrique utile. Nous pourrions également les utiliser dans nos maisons pour produire de l'électricité à partir de sources d'énergie alternatives telles que les biocarburants et l'énergie solaire stockée. »
