Forschung -

Wärmetransfer könnte zu thermischen Transistoren führen

Bis zu 100-mal mehr Wärme als von der Standardstrahlungstheorie vorhergesagt, kann zwischen zwei Nanoobjekten fließen, selbst bei Entfernungen, die größer als die üblichen Nanoabmessungen sind. Das haben Forscher der University of Michigan und des 'College of William and Mary' in "Nature" berichtet.

Die neuen Ergebnisse könnten Auswirkungen auf bessere Solarzellen, auf Materialien, die sich wie Einwegventile beim Wärmefluss verhalten, und vielleicht sogar auf wärmebasierte Computerplattformen haben.

Max Plancks Strahlungstheorie, die 1900 vorgeschlagen wurde, bildete die Grundlage für die Quantenmechanik und hat sich im Laufe des vergangenen Jahrhunderts gut gehalten.

Aber vor fünf Jahren ließ eine Mikrostruktur im Labor von Professor Pramod Reddy eine erstaunliche Menge an Wärme zwischen Objekten fließen, die eigentlich voneinander isoliert sein sollten.

"Wir konnten die Ursache lange Zeit nicht herausfinden. Es schien, als könnten unsere Berechnungen, die auf der standardisierten Planck-Theorie basieren, nicht erklären, was wir beobachtet hatten", sagte der Erstautor der Studie, Doktorand Dakotah Thompson.

"Die Frage von Pramod und mir an die Studenten lautete: "Bist du sicher, dass du das richtig berechnet hast?", sagte Professor Edgar Meyhofer. Aber sie hatten es. Es wurde Thompsons Mission, herauszufinden, was vor sich ging.

Der Wärmefluss zwischen zwei Objekten hat eine Grenze, die von Details, wie der Größe der Objekte, den einander zugewandten Oberflächen, deren Temperaturen und dem Abstand zwischen ihnen abhängt. Wärme wandert zwischen Objekten als elektromagnetische Wellen, wie die Infrarotstrahlung und sichtbares Licht.

Zuvor hatten Reddy und Meyhofer eine Studie durchgeführt, die zeigte, dass Wärme 10000-mal schneller als erwartet zwischen Objekten wandern kann, die durch Nanospalten getrennt sind - kleiner als die dominante Wellenlänge der Strahlung - aber bei größeren Abständen, würde dieser Mechanismus nicht zutreffen. Bei sehr dünnen Platten schießt die Hitze an den Kanten heraus.

Unter der Leitung von Meyhofer und Reddy entwickelte Thompson eine Reihe von Experimenten, um die unerwarteten Beobachtungen zu untersuchen. Von Anfang an vermuteten sie, dass es etwas mit der Dicke der Objekte zu tun haben könnte.

Um das Konzept zu veranschaulichen, zog Reddy zwei Karten aus seiner Brieftasche und legte eine auf seine Handfläche und die andere über seine Finger, mit einer Lücke zwischen ihnen.

Thompson verbrachte viele Monate in der 'Lurie Nanofabrication Facility' und stellte passende Paare von Halbleiterplatten her, die in ihrer Form den Karten ähnlich waren, aber etwa tausend Mal kleiner in Länge und Breite.

Die Dicke der rechteckigen Platten lag zwischen 10000 nm und 270 nm. Diese hängte er an sehr schmale Balken, die etwa hundertmal dünner waren als menschliches Haar.

In einem Objekt von der Größe und Form einer Kreditkarte würde die Wärme normalerweise von jeder der sechs Seiten im Verhältnis zur Oberfläche ausstrahlen.

Aber das Team fand heraus, dass, wenn die Strukturen extrem dünn waren - am dünnsten, etwa die Hälfte der Wellenlänge des grünen Lichts - setzten diese Kanten viel mehr Wärme frei und absorbierten auch mehr als erwartet.

Mit den experimentellen Ergebnissen arbeitete Thompson dann eng mit Postdoc Linxiao Zhu zusammen. Zhu erstellte ein detailliertes mathematisches Modell der beiden dünnen Platten und der entsprechenden Physik, die die Wärmeübertragung zwischen diesen Strukturen regelt.

Nach stundenlangen Modellläufen auf einem Supercomputer bestätigten Zhus Ergebnisse, dass die 100-fache Verbesserung des Wärmeflusses darauf beruht, dass sich Wellen in den sehr dünnen Platten auf bestimmte Weise bewegen.

Da die Wellen entlang den längeren Abmessungen der Platte parallel verlaufen, 'schießt' die Hitze an den Kanten heraus. In der identischen Platte, die die Energie absorbiert, war das gleiche Konzept am Werk.

Beispiele, die vom Team vorgeschlagen werden, betreffen die Steuerung des Wärmeflusses in ähnlicher Weise, wie die Elektronik die Elektronen steuert. Das könnte die Herstellung von Wärmetransistoren für Computer und Dioden der nächsten Generation mit sich bringen.

So könnten beispielsweise zukünftige Baustoffe in kühlen Sommernächten Wärme abgeben, aber im Winter beibehalten. Solarzellen könnten den Teil des Sonnenspektrums nutzen, der nicht für andere Zwecke in Strom umgewandelt wird. Und eine Dachinstallation könnte diese verlorene Energie zum Beispiel zur Warmwasserbereitung nutzen.

Reddy meint aber, dass ein auf Wärme basierter Computer langsamer und größer als eine elektronische Version sein würde - aber er ist sicher, dass es in bestimmten Situationen, wie beispielsweise in Hochtemperaturumgebungen, in denen herkömmliche Elektronik beschädigt wird, von Vorteil sein könnte.

Der Forschungsbericht trägt den Titel “Hundred-fold enhancement in far-field radiative heat transfer over the blackbody limit.” Die Arbeit wurde vom 'Office of Naval Research', dem 'Army Research Office' und dem 'Department of Energy' unterstützt.

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