近日，美國密歇根大學和威廉瑪麗學院的研究人員發現，在兩個納米尺度的物體之間流動的熱量比標準輻射理論預測的高100倍，而物體之間的距離甚至超過了納米尺度。該研究結果發表於9月3日發表在了《自然》雜誌上。該研究成果可能會對太陽能電池、單向熱流閥門材料，甚至是基於熱量的計算平臺產生重大影響。
馬克斯·普朗克於1900年提出的輻射理論為量子力學奠定了基礎，並在此後的一個世紀裡得到了長足發展。但五年前，美國密歇根大學機械工程教授、材料科學與工程教授Pramod Reddy實驗室的一個微結構讓原本應該相互隔熱的物體之間的熱流達到了驚人的程度。
“在很長一段時間裡，我們都找不出原因。基於普朗克理論的計算似乎無法解釋我們所觀察到的情況。”文章的第一作者Dakotah Thompson說道。他當時還是Reddy實驗室的一名研究生。
密歇根大學機械工程教授、生物醫學工程教授Edgar Meyhofer甚至認為是學生的計算錯誤。但他們沒有失誤，於是Thompson的首要任務就是弄清楚到底發生了什麼。
兩個物體之間的熱流速度有一個極限，這個極限取決於物體的大小、接觸面、溫度以及間距等。熱以電磁波的形式在物體之間傳播，如紅外線輻射和可見光。此前，Reddy和Meyhofer領導的一項研究表明，由納米尺度間隙(小於輻射的主要波長)隔開的物體之間，熱量的傳播速度可能是預期的1萬倍，但在較大的間隔下，這種機制就不起作用了。在Meyhofer和Reddy的指導下，Thompson設計了一系列實驗來探索這些意想不到的觀測結果。
Thompson製作了與普通卡片形狀相似、但長度和寬度比卡片小一千倍的配對半導體板。矩形板的厚度在0.01毫米至270納米之間。他把它們懸掛在比人類頭髮細100倍的窄樑上。在一個像信用卡一樣大小和形狀的物體中，熱量通常會按表面積的比例從六個面中的每一面輻射出來。但研究小組發現，當這些結構非常薄時——最薄時大約為綠光波長的一半，這些邊緣釋放和吸收的熱量比預期的要多。
接著，博士後Linxiao Zhu根據實驗結果建立了兩個薄板的詳細數學模型，以及控制這些結構之間傳熱的物理機制。最後，他的研究結果證實了熱流中100倍的增強是由於波在極薄的板塊中的特殊運動方式。由於波與平板的長尺寸方向平行傳遞，所以熱量會從邊緣噴出。
雖然這種效應在微尺度和小尺度上最強，但納米技術的興起可能意味著我們將看到這種新想法在設備上得到應用。例如以類似電子管理技術的方式控制熱流，為下一代計算機和二極管(如單向閥)製造熱晶體管。
但Reddy提醒說，基於熱量的計算設備將比電子設備更慢更大，但在某些情況下，比如高溫環境中，這種設備更有用。
編譯：Coke
審稿：alone
來源：http://h5.scimall.net.cn/register?from=wechat
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