传热意外可能导致热晶体管

密歇根大学和威廉玛丽学院的研究人员在“自然”杂志上报告说，标准辐射理论预测的热量可能比两个纳米级物体之间的高100倍，即使在大于纳米级的距离。

新的结果可能会对更好的太阳能电池产生影响，这些材料的行为类似于热流的单向阀，甚至可能是基于热量的计算平台。

实验室里的一个谜

1900年提出的马克斯·普朗克的辐射理论为量子力学奠定了基础，并在整个世纪中保持良好状态。但是五年前，UM机械工程教授Pramod Reddy实验室的一个微观结构正在让彼此绝缘的物体之间产生惊人数量的热量流动。

“我们很长时间都无法找出原因。似乎我们基于标准普朗克理论的计算无法解释我们观察到的情况，“该研究的第一作者Dakotah Thompson说，他当时是Reddy实验室的新研究生。

“普拉莫德和我对学生的问题是，'你确定你计算得对吗?'”密歇根大学机械工程教授，资深作者Edgar Meyhofer说。

但他们有。它成了汤普森的使命，了解发生了什么。

两个物体之间的热流率有一个限制，取决于物体的大小，彼此面对的表面，它们的温度以及它们之间的距离等细节。热量在物体之间作为电磁波传播，例如红外辐射和可见光。

此前，Reddy和Meyhofer领导的一项研究表明，在由纳米级间隙分开的物体之间，热量的传播速度比预期的快10,000倍 - 小于辐射的主波长 - 但是在较大的分离时，该机制不会起作用。

在非常薄的板中，热量从边缘射出

在Meyhofer和Reddy的指导下，汤普森设计了一系列实验来探索意外的观察结果。从一开始，他们就怀疑它与物体的厚度有关。

为了说明这个概念，雷迪从他的钱包里制作了两张卡片，一张放在他的手掌上，另一张放在他的手指上，两者之间有间隙。Thompson在Lurie Nanofabrication Facility工作了几个月，制作了与卡片相似的成对半导体板，但长度和宽度都要小一千倍。矩形板的厚度在10,000纳米(0.01毫米)至270纳米之间。他将这些悬挂在非常窄的横梁上，比人的头发薄了一百倍。

在信用卡的大小和形状的物体中，热量通常从六个侧面中的每一个辐射，与表面区域成比例。但研究小组发现，当结构非常薄时 - 最薄，约为绿光波长的一半 - 这些边缘释放并吸收的热量远远超过预期。

凭借实验结果，汤普森与Meyhofer和Reddy实验室的博士后研究员Linxiao Zhu密切合作。朱建立了两个薄板的详细数学模型和控制这些结构之间传热的物理学。

经过多个小时在超级计算机上运行模型后，朱的结果证实，由于波浪在非常薄的板块中移动的方式，热流量增加了100倍。由于波浪平行于板的较长尺寸，因此热量从边缘射出。在吸收能量的相同板中，同样的概念在起作用。

“当我们模拟板块如何发射和吸收热辐射时，就好像它们的边缘要厚得多，”朱说。

结果可以实现什么

虽然在微观尺度和更小尺寸上效果最强，但纳米技术的新兴领域可能意味着我们将在设备中看到这种新想法。

“你可能以新的方式控制热量，因为我们已经确定了传热的机制，”雷迪说。

该团队提出的示例包括以类似于电子管理电子的方式控制热流，为下一代计算机和二极管(如单向阀)制作热晶体管。例如，未来的建筑材料可以在凉爽的夏季夜晚散热，但在冬季保持不变。太阳能电池可以利用太阳光谱中未转换为电能用于其他目的的部分。例如，屋顶装置可以将这种损失的能量传递给热水。

Reddy警告说，基于热量的计算设备将比电子版本更慢更大，但他认为在某些情况下可能更为可取，例如传统电子设备损坏的高温环境。

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