Infrangere la legge su nanoscala

Ogni volta che vedi un pezzo di metallo incandescente o diventare giallo o bianco quando diventa più caldo, stai guardando la legge di Planck in azione. Il principio secolare, che descrive come l'energia viene irradiata da un oggetto nero non riflettente idealizzato, si applica a tutto, da una padella di ghisa alla superficie di una stella. Ma si scopre che ha una scappatoia.

Avvicinamento Il professor Gang Chen con la camera a vuoto utilizzata nella sua ricerca.

La legge di Planck afferma che l'emissione termica della radiazione a diverse lunghezze d'onda segue uno schema preciso che varia a seconda della temperatura dell'oggetto. Quando il fisico tedesco Max Planck propose la legge, nel 1900, sospettava che non si sarebbe applicata quando due oggetti erano molto vicini tra loro. Ma ci è voluto fino a quest'anno per dimostrare la sua intuizione, perché tenere gli oggetti vicini senza farli toccare è una grande sfida. Ora i ricercatori del MIT hanno dimostrato che il trasferimento di calore tra oggetti a pochi nanometri di distanza può essere tre ordini di grandezza maggiore di quanto previsto dalla legge.

Questa storia faceva parte del nostro numero di novembre 2009

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Il professore di ingegneria energetica Gang Chen e il suo team, lo studente laureato Sheng Shen e il professore della Columbia University Arvind Narayanaswamy, PhD '07, hanno descritto come hanno fatto in un articolo la scorsa estate sulla rivista Nano Letters. Se usiamo due superfici parallele, è molto difficile spingere su scala nanometrica senza che alcune parti si tocchino, spiega Chen. Invece, hanno usato una piccola perla di vetro rotonda accanto a una superficie piana. Gli oggetti si sono avvicinati di più al contatto in un solo punto, rendendo la separazione molto più facile da mantenere. I ricercatori sono stati in grado di testare separazioni fino a 10 nanometri.

I risultati potrebbero portare a nuovi tipi di dispositivi fotovoltaici per sfruttare i fotoni emessi da una fonte di calore, rendendo possibile la raccolta di energia dal calore che altrimenti andrebbe sprecata. Potrebbero anche essere utili nei sistemi di registrazione dei dati magnetici come i dischi rigidi dei computer, dove lo spazio tra la testina di registrazione e la superficie del disco è tipicamente nell'intervallo da cinque a sei nanometri. La testa tende a surriscaldarsi e i ricercatori hanno cercato modi per gestire il calore o addirittura sfruttarlo. Ad esempio, alcuni materiali di registrazione devono essere riscaldati, solitamente con un raggio laser, prima che le loro superfici possano essere magnetizzate dalla testina. Se i ricercatori capissero come funziona il trasferimento di calore a queste distanze, potrebbero essere in grado di progettare un modo per consentire alla testa di fornire il proprio riscaldamento.

È ancora necessario ulteriore lavoro per esplorare ciò che accade a distanze ancora più piccole, afferma Chen, perché i ricercatori non sanno esattamente quanto calore può essere dissipato in sistemi ravvicinati.

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