MỸ – Nhiệt lượng (heat) thường hoạt động theo những cách thức và quy luật có thể dự đoán được, ví dụ như: một tách cà phê nóng sẽ nguội dần, máy tính xách tay toả nhiệt làm ấm lòng bàn tay, hay mặt trời sưởi ấm trái đất. Thế nhưng, ở quy mô nhỏ hơn hàng nghìn lần so với sợi tóc con người, các quy luật thông thường sẽ bị phá vỡ và các nhà khoa học đang tìm cách tận dụng điều này.

Một nghiên cứu mới từ các nhà khoa học tại đại học Carnegie Mellon (CMU – Carnegie Mellon university) đã được công bố trên tạp chí Nature cho thấy: có thể điều khiển nhiệt lượng một cách mạnh mẽ hơn so với những gì từng được chứng minh trước đây, nhờ vào việc sử dụng các siêu vật liệu (metamaterial) (*) cấu trúc vi mô. Dự án này là một minh chứng thực nghiệm rõ ràng cho thấy khả năng chủ động thiết kế và tăng cường hiệu suất truyền nhiệt.
(*) Metamaterial: là các vật liệu nhân tạo được thiết kế và chế tạo từ kích thước micromét hoặc nano, sở hữu những tính chất vật lý đặc biệt không thể tìm thấy trong tự nhiên.

Phát hiện quan trọng của dự án nghiên cứu là hiện tượng truyền nhiệt bức xạ cận trường (near-field radiative heat transfer). Khi hai vật thể được đặt sát nhau, chỉ cách nhau vài trăm nanomét, nhiệt lượng không chỉ bức xạ ra xung quanh theo cách thông thường. Mà nó có thể “xuyên hầm” (tunneling) (*) qua khoảng trống nhờ các sóng điện từ, giúp tăng vọt lượng năng lượng truyền qua lại giữa hai bề mặt.
(*) Tunneling: ‘Xuyên hầm lượng tử’ hay ‘xuyên hầm điện từ’, là một khái niệm mô tả việc một thực thể (như hạt electron, sóng điện từ, hoặc năng lượng nhiệt) vượt qua được một rào cản vật lý mà theo các quy luật vật lý truyền thống, nó không thể vượt qua.

Các nhà khoa học đã biết đến hiện tượng truyền nhiệt bức xạ cận trường từ nhiều năm trước, nhưng cho đến nay, họ vẫn chưa thể chứng minh bằng thực nghiệm cách tối ưu hóa nó sâu hơn bằng các cấu trúc nhân tạo. Đó là lúc siêu vật liệu phát huy vai trò.

Giáo sư Sheng Shen khoa kỹ thuật cơ khí tại đại học Carnegie Mellon, tác giả chính của nghiên cứu, chia sẻ: “Khác với vật liệu thông thường, siêu vật liệu được cấu tạo từ các cấu trúc siêu nhỏ tuần hoàn, tương tác với năng lượng theo những cách chính xác. Nhóm nghiên cứu đã tạo các mẫu cấu trúc vàng vi mô trên các màng mỏng và đặt chúng đối diện nhau qua một khoảng cách nano. Phương pháp này giúp tăng hiệu suất truyền nhiệt gấp bốn lần so với các thiết lập tương tự không dùng siêu vật liệu, một con số vượt xa những gì vật lý truyền thống dự đoán ở khoảng cách lớn hơn.”

Điều khiến cho hiện tượng truyền nhiệt bức xạ cận trường trở nên đặc biệt chính là cơ chế vận hành của nó.

Ông Zexiao Wang, đồng tác giả chính của nghiên cứu, nói rằng: “Thay vì chỉ đơn thuần tạo thêm các đường dẫn nhiệt, các cấu trúc bằng vàng sẽ tương tác với các sóng năng lượng tự nhiên trong vật liệu, được gọi là các ‘surface phonon polariton’, để tạo ra hiệu ứng cộng hưởng. Những dao động liên kết này cho phép năng lượng dịch chuyển tự do và hiệu quả hơn qua khoảng trống nano.”

Giáo sư Shen nói thêm: “Đây là một hiệu ứng mang tính cộng hưởng phối hợp. Các cấu trúc nhân tạo và bản thân vật liệu đã tự khuếch đại lẫn nhau.”

Vượt ra khỏi phạm vi phòng thí nghiệm, ứng dụng của nghiên cứu này có ý nghĩa rất lớn. Khả năng kiểm soát chính xác dòng nhiệt làm nền tảng cho các giải pháp tản nhiệt thế hệ mới cho chip vi xử lý và các hệ thống máy tính hiệu năng cao.

Bên cạnh đó, ngành năng lượng cũng sẽ được hưởng lợi. Các công nghệ chuyển hóa nhiệt thành điện năng như hệ thống nhiệt quang điện (thermophotovoltaic) (*), vốn phụ thuộc rất lớn vào việc dịch chuyển bức xạ nhiệt hiệu quả. Việc tăng cường được quá trình này có tiềm năng đưa các công nghệ trên tiến gần hơn đến thực tế thương mại.
(*) Thermophotovoltaic: là công nghệ chuyển đổi nhiệt năng trực tiếp thành điện năng thông qua bức xạ nhiệt và các tế bào quang điện chuyên dụng.

Trong các công nghệ cảm biến, tiêu biểu như cảm biến hồng ngoại, các tín hiệu nhiệt mạnh hơn và dễ kiểm soát hơn sẽ giúp nâng cao năng lực dò tìm trong nhiều lĩnh vực, từ giám sát môi trường cho đến an ninh quốc gia.

Hiện tại, công trình nghiên cứu chỉ dừng lại ở quy mô nano và được thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm được kiểm soát nghiêm ngặt. Tuy nhiên, đây vẫn là một bước chuyển dịch quan trọng từ lý thuyết thuần túy sang chứng minh thực tế.

Giáo sư Shen khẳng định: “Nếu nhiệt lượng có thể được điều khiển với độ chính xác tương tự điện hay ánh sáng, nó có thể mở ra tiềm năng cho một thế hệ công nghệ mới, những công nghệ được chế tạo không chỉ để chống chịu nhiệt, mà để làm chủ và khai thác nguồn nhiệt đó”.

Để xem các tin bài khác về “Truyền nhiệt”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online