Источник: Исследовательская лаборатория армии США
В мире инноваций управление тепловым потоком на наноскопическом уровне долгие годы считалось одной из самых сложных задач современной науки. Сегодня же исследователи Мичиганского университета, финансируемые Исследовательской лабораторией армии США, достигли значительного прорыва в этой области. Они создали наномасштабные тепловые переключатели — устройства, которые в будущем смогут играть ключевую роль в:
• тепловом управлении наноустройствами,
• высокоэффективных системах охлаждения,
• технологиях хранения данных на основе тепловых сигналов,
• тепловых вычислениях (thermal computing),
• а также в интеллектуальных системах теплового регулирования зданий.
Этот прорыв особенно важен, поскольку управление тепловым потоком на наномасштабе ранее считалось практически невыполнимой задачей.
Впервые продемонстрировано управляемое теплопереносное переключение на наномасштабе
Исследование, опубликованное в журнале Nature Nanotechnology, впервые показало, что теплопередача между двумя мембранами толщиной в несколько нанометров может управляться за счёт активации особых наномасштабных эффектов.
В то время как существует широкий спектр устройств, регулирующих электрический ток — транзисторы, диоды и др. — аналогичных функциональных компонентов для управления тепловым потоком, особенно на наномасштабе, крайне мало. Именно эта проблема побуждает исследователей изучать новые физические явления.
Руководитель программы Исследовательской лаборатории армии США, доктор Чакрапани Варанаси, отметил:
«Инвестиции армии в фундаментальные исследования крайне важны. Эти результаты могут оказать серьёзное влияние на тепловое управление и вычислительные технологии будущих поколений военнослужащих.»
Данная работа также является частью стратегии модернизации армейских сетей — усилий, направленных на улучшение текущих технологий и опережение потенциальных противников благодаря разработке решений нового поколения.
Начало открытия — исследование 2018 года
Один из ведущих авторов исследования, доктор Дакотах Томпсон, продолжил работу, начатую в 2018 году, когда исследовательская группа показала, как тепловой поток в наномембранах может вести себя по-разному в зависимости от направления. Углубляясь в изучение эффекта, Томпсон пришёл к идее возможного практического применения.
Он выдвинул гипотезу, что:
тепловое излучение мембран можно изменять, если подвести к ним третий объект, тем самым создавая переключаемый тепловой переход.
Профессор механической инженерии Мичиганского университета, доктор Эдгар Мейхофер, сыграл ключевую роль в разработке специальной экспериментальной схемы для проверки этой гипотезы.
Уникальный эксперимент: контроль теплового потока между двумя мембранами
В ходе экспериментов Томпсон создал высокоточные подвесные калориметрические устройства и добавил в систему третий наноструктурный элемент — так называемый planar mesa. С помощью нанопозиционера сверхвысокой точности он контролировал расстояние между мембранами с нанометровым разрешением.
Полученные результаты показали:
тепловая передача между мембранами может включаться и выключаться лишь за счёт изменения расстояния между ними.
Это стало первым реальным экспериментальным подтверждением концепции наномасштабного «теплового переключателя».
Численные модели и точность результатов
Авторы исследования — доктор Линсяо Чжу и доктор Томпсон — провели детальные численные вычисления для количественного объяснения наблюдений.
Они установили, что:
• теплопередача между мембранами происходит главным образом за счёт управляемого электромагнитного излучения,
• третий объект (planar mesa) способен либо усиливать, либо ослаблять эту тепловую связь,
• таким образом тепловой поток на наномасштабе можно эффективно «включать» и «выключать».
Заключение: шаг в будущее тепловых технологий
Это исследование вносит значимый вклад как в фундаментальную науку, так и в практическое применение. Наномасштабные тепловые переключатели могут стать ключевыми компонентами будущих технологий, в том числе:
• ультрабыстрых компьютеров,
• тепловых систем хранения данных,
• энергоэффективных «умных» зданий,
• военных вычислительных систем и электроники,
• наноробототехники и микросистемной инженерии.
Управление тепловым потоком с высокой точностью открывает новую страницу в технологическом будущем, создавая фундамент для следующего поколения энергетических и вычислительных решений.