Tout le monde s'est assis dehors par une journée ensoleillée et a été réchauffé par les rayons du soleil. Cela se produit par un processus connu sous le nom de transfert de chaleur radiatif :le soleil émet de la lumière (rayonnement électromagnétique), qui se rend jusqu'à la Terre et réchauffe les objets qui l'absorbent. Le transfert de chaleur radiatif est également le mécanisme derrière les caméras thermiques.

Chaque objet chaud, y compris les êtres humains, émet de la lumière, lui permettant de libérer de la chaleur et de se thermaliser dans l'environnement. Les longueurs d'onde, ou les couleurs de la lumière qui sont émises, dépendent de la température de l'objet, le soleil étant suffisamment chaud pour produire de la lumière visible et les corps humains émettant une lumière qui n'est pas visible à l'œil mais qui peut être captée par des capteurs infrarouges.

Pour les objets macroscopiques, le transfert de chaleur radiatif est décrit avec précision par la loi bien connue de Planck du rayonnement du corps noir, couramment vu dans les cours de physique de premier cycle. Lorsque la taille d'un objet approche l'échelle nanométrique, cependant, La loi de Planck ne s'applique plus. A cette échelle, des centaines à des milliers de fois plus petit que l'épaisseur d'un cheveu humain, l'échange radiatif de chaleur peut être plusieurs fois plus efficace qu'à l'échelle macroscopique.

Le contrôle du transfert de chaleur radiatif à l'échelle nanométrique peut permettre le développement d'un large éventail d'applications. Un exemple est la thermophotovoltaïque, une technologie qui cherche à convertir la chaleur perdue produite, par exemple, par les moteurs et les usines en électricité utilisable. Une autre application consiste à refroidir les composants électroniques dans des puces électroniques, dont les tailles ont déjà atteint l'échelle nanométrique. Des techniques améliorées de gestion thermique pour ces dispositifs peuvent aider à empêcher la surchauffe des ordinateurs et faciliter le développement de puces avec plus de transistors.

Inspiré par cette grande promesse, scientifiques de l'Université du Nouveau-Mexique, Laboratoire national de Los Alamos (LANL), et l'Institut d'optique en Espagne ont publié une étude qui donne un nouvel aperçu de la façon dont les collections de nanoparticules échangent de la chaleur par rayonnement entre elles et avec leur environnement. Leur travail, intitulé "Near-Field Radiative Heat Transfer Eigenmodes" a été publié dans la revue Lettres d'examen physique récemment.

Avant ce travail, les scientifiques ont su calculer la dynamique de thermalisation d'arrangements de nanoparticules, mais les calculs nécessitent des ressources de calcul importantes qui deviennent prohibitives même pour des systèmes à une dizaine de particules. Dans cette étude, dirigé par Alejandro Manjavacas en collaboration avec Diego Dalvit et Wilton Kort-Kamp de LANL, les chercheurs ont développé un cadre théorique qui permet la description efficace et simple de la dynamique de thermalisation de systèmes contenant même des milliers de nanoparticules.

"Notre méthode offre une approche élégante et efficace pour résoudre des problèmes qui existent depuis un certain temps, ", a déclaré Manjavacas.

Le cadre théorique des chercheurs décompose la dynamique du transfert de chaleur radiative à l'aide de techniques mathématiques simples que l'on rencontrerait dans un cours d'algèbre linéaire de premier cycle. Ce faisant, ils n'étaient pas seulement capables d'étudier la thermalisation de systèmes grands et compliqués, mais aussi découvrir un aperçu physique qui se présente de manière inattendue.

Par exemple, l'équipe a constaté que, lorsqu'un arrangement de nanoparticules contient initialement une certaine quantité de chaleur, le système approchera de la même manière la température de son environnement, quelles que soient les particules qui sont chaudes. En revanche, si la chaleur totale initialement dans un système est nulle, comme lorsqu'une nanoparticule est plus chaude que l'environnement et une autre plus froide, le système atteint l'équilibre thermique plus rapidement que n'importe quelle distribution de température avec une certaine chaleur initiale. Ceci est vrai même si ce dernier cas nécessite un changement de température beaucoup plus faible que le premier.

Un autre comportement intéressant décrit par les auteurs implique une évolution oscillatoire de la température d'une nanoparticule lorsqu'elle se thermalise dans l'environnement :au cours de la thermalisation, la nanoparticule se refroidit et se réchauffe plusieurs fois, même si l'environnement reste toujours à la même température.

"J'ai trouvé ce projet très excitant car il implique l'application de concepts mathématiques basiques mais élégants à un problème de physique de pointe, " a déclaré l'auteur principal de l'article, Stephen Sanders, qui sera bientôt diplômé de l'UNM avec son doctorat. en physique avec l'intention de déménager à l'Université Rice en tant que boursier de la Rice Academy.

Un autre étudiant diplômé impliqué dans le papier, Lauren Zundel, qui est un boursier diplômé du Département de l'énergie computationnelle, dit, "C'était génial d'appliquer ce que j'ai appris sur la science informatique pour résoudre un problème comme celui-ci."