纳米光子学的新进展解释了热纳米颗粒的收集如何冷却

每个人都在阳光明媚的日子坐在外面，被阳光照亮。这是通过辐射热传递过程发生的：太阳发出光(电磁辐射)，该光传播到地球并加热吸收它的物体。辐射热传递也是热像仪背后的机制。

包括人类在内的每个高温物体都会发光，从而释放热量并向环境热化。波长或发出的光的颜色取决于物体的温度，其中太阳的温度足以产生可见光，而人体发出的光对眼睛来说是不可见的，但可以被红外传感器拾取。

对于宏观物体，辐射热传递可以通过众所周知的普朗克黑体辐射定律准确描述，这在本科物理课中很常见。但是，当物体的大小接近纳米级时，普朗克定律不再适用。在这种规模下，比人类头发的厚度小数百到数千倍，辐射的热交换效率可以比宏观规模高很多倍。

控制纳米级辐射热传递可以实现广泛的应用程序开发。一个例子是热光电技术，该技术试图将例如由发动机和工厂产生的浪费的热量转化为可用的电能。另一个应用涉及冷却尺寸已达到纳米级的微芯片中的电子组件。这些设备的改进的热管理技术可以帮助防止计算机过热，并有助于开发具有更多晶体管的芯片。

受到这一巨大希望的鼓舞，来自新墨西哥大学，洛斯阿拉莫斯实验室(LANL)和西班牙光学研究所的科学家发表了一项研究，该研究为纳米粒子集合体之间进行辐射热交换的方式提供了新的见解。和他们的环境。他们的工作名为“近场辐射热传递本征模”，最近发表在《物理评论快报》上。

在进行这项工作之前，科学家们知道如何计算纳米粒子排列的热化动力学，但是计算需要大量的计算资源，即使对于具有十二个粒子的系统来说，这些资源也变得过高。在Alejandro Manjavacas与LANL的Diego Dalvit和Wilton Kort-Kamp共同领导的这项研究中，研究人员开发了一种理论框架，该框架可以高效，简单地描述甚至数千种纳米粒子的系统的热动力学。

“我们的方法提供了一种优雅而有效的方法来解决已经存在一段时间的问题，” Manjavacas说。

研究人员的理论框架使用一种在本科线性代数班中会遇到的简单数学技术，来分解辐射的传热动力学。通过这样做，他们不仅能够研究大型复杂系统的热化过程，而且还能发现以意想不到的方式展现自己的物理见解。

例如，研究小组发现，当纳米颗粒排列中最初存储有一定量的热量时，该系统将以相同的方式接近其环境温度，而不管哪个颗粒是热的。相反，如果最初在系统中的总热量为零，例如一个纳米粒子比环境温度高，而另一个纳米粒子则比环境温度低，则该系统比具有任何初始热量的任何温度分布更快地达到热平衡。即使后一种情况所需的温度变化比前一种情况小得多，也是如此。

作者描述的另一个有趣的行为涉及纳米粒子在向环境热化时温度的振荡演变：在热化过程中，即使环境始终保持相同，纳米粒子也会冷却并回热数次。温度。

该论文的主要作者斯蒂芬·桑德斯(Stephen Sanders)说：“我发现这个项目非常令人兴奋，因为它涉及到将基本而优雅的数学概念应用于一个最新的物理问题。” .D。物理学专业，并计划转入莱斯大学担任莱斯学院院士。

另一个研究生参与了纸，劳伦曾德尔，谁是能源计算科学研究生研究员的一处，说：“这是伟大的，把我所了解计算机科学来解决这样的问题。”

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