De wet overtreden op nanoschaal

Elke keer dat je een stuk metaal roodgloeiend ziet gloeien, of geel of wit ziet worden naarmate het heter wordt, kijk je naar de wet van Planck in actie. Het eeuwenoude principe, dat beschrijft hoe energie wordt uitgestraald door een geïdealiseerd, niet-reflecterend zwart object, is van toepassing op alles, van een gietijzeren braadpan tot het oppervlak van een ster. Maar het blijkt een maas in de wet te hebben.

Detailopname Professor Gang Chen met de vacuümkamer die bij zijn onderzoek werd gebruikt.

De wet van Planck zegt dat de thermische emissie van straling bij verschillende golflengten een nauwkeurig patroon volgt dat varieert afhankelijk van de temperatuur van het object. Toen de Duitse natuurkundige Max Planck in 1900 de wet voorstelde, vermoedde hij dat deze niet van toepassing zou zijn als twee objecten heel dicht bij elkaar staan. Maar het duurde tot dit jaar om zijn voorgevoel te bewijzen, want het is een grote uitdaging om objecten dichtbij te houden zonder ze aan te raken. Nu hebben MIT-onderzoekers aangetoond dat warmteoverdracht tussen objecten op enkele nanometers van elkaar drie ordes van grootte groter kan zijn dan de wet zou voorspellen.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van november 2009

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Hoogleraar energietechniek Gang Chen en zijn team, afgestudeerde student Sheng Shen en professor aan de Columbia University Arvind Narayanaswamy, PhD '07, beschreven hoe ze het afgelopen zomer in een paper in het tijdschrift Nano Letters hebben gedaan. Als we twee parallelle oppervlakken gebruiken, is het erg moeilijk om op nanometerschaal te duwen zonder dat sommige delen elkaar raken, legt Chen uit. In plaats daarvan gebruikten ze een kleine, ronde glaskraal naast een plat oppervlak. De objecten kwamen elkaar op slechts één punt het dichtst bij elkaar, waardoor de scheiding veel gemakkelijker te handhaven was. De onderzoekers waren in staat om scheidingen van slechts 10 nanometer te testen.

De bevindingen kunnen leiden tot nieuwe soorten fotovoltaïsche apparaten voor het benutten van fotonen die worden uitgezonden door een warmtebron, waardoor het mogelijk wordt om energie uit warmte te halen die anders verloren zou gaan. Ze kunnen ook nuttig zijn in magnetische gegevensregistratiesystemen zoals harde schijven van computers, waar de ruimte tussen de opnamekop en het schijfoppervlak typisch in het bereik van vijf tot zes nanometer ligt. Het hoofd heeft de neiging om op te warmen en onderzoekers hebben gezocht naar manieren om de hitte te beheersen of zelfs te exploiteren. Sommige opnamematerialen moeten bijvoorbeeld worden verwarmd, meestal met een laserstraal, voordat hun oppervlakken door de kop kunnen worden gemagnetiseerd. Als onderzoekers begrijpen hoe warmteoverdracht op deze afstanden werkt, kunnen ze misschien een manier bedenken waarop het hoofd voor zijn eigen verwarming kan zorgen.

Er is nog meer werk nodig om te onderzoeken wat er op nog kleinere afstanden gebeurt, zegt Chen, omdat de onderzoekers niet precies weten hoeveel warmte kan worden afgevoerd in dicht bij elkaar gelegen systemen.

zich verstoppen