纳米尺度的热和光变大

“与传统预测相比，在小至40纳米的分离时，我们实现了几乎100倍的热传递增强，”Lipson，EugeneHiggins电气工程教授和应用物理学教授说。“这非常令人兴奋，因为它意味着光现在可以成为通常通过传导或对流交换热量的物体之间的主要传热通道。而且，虽然其他团队已经证明使用纳米尺度的光传热，但我们是第一个达到可用于能源应用的性能，例如使用光伏电池直接将热量转换为电能。“

我们环境中的所有物体都使用光与周围环境交换热量。这包括来自太阳的光线，我们烤箱内的加热元件的发红光，或者即使在完全黑暗中也可以进行图像记录的“夜视”相机。但是，与通过传导(即，通过简单地使两个物体彼此接触)或通过对流(即，使用热空气)可以实现的相比，使用光的热交换通常非常弱。理论上，纳米级距离的辐射传热特别难以实现，因为难以在纳米级距离上保持大的热梯度，同时避免传导等其他传热机制。

Lipson的团队能够将物体放在彼此非常接近的不同温度下-距离小于100纳米，或者是一缕头发直径的1/1000。他们能够证明在深亚波长范围内平行SiC(碳化硅)纳米束之间的近场辐射热传递。他们使用高精度微机电系统(MEMS)来控制光束之间的距离，并在高拉应力下利用纳米束的机械稳定性，以最大限度地减少热屈曲效应，从而即使在大热量下也能保持对纳米级间距的控制梯度。

使用这种方法，该团队能够将两个不同温度的平行物体带到小至42纳米的距离而不会接触。在这种情况下，他们观察到物体之间的热传递比常规热辐射定律(即“黑体辐射”)预测的强100倍。他们能够重复这个实验，以确定两个物体之间的温差高达260oC(500oF)。这种高温差对于能量转换应用尤其重要，因为在这些情况下，转换效率总是与所涉及的热物体和冷物体之间的热差成比例。

“我们工作的一个重要意义是热辐射现在可以用作不同温度下物体之间的主要传热机制，”该研究的主要作者和哥伦比亚工程公司Lipson的博士后研究员RaphaelSt-Gelais解释说。“这意味着我们可以通过许多相同的技术控制热流来控制光线。这是一个很大的问题，因为我们可以利用光线做很多有趣的事情，例如使用光伏电池将其转换为电能“。

St-Gelais和LinxiaoZhu共同撰写了这项研究，并且是斯坦福大学Fan团队的博士候选人，他指出，通过简单地排列几个纳米束，团队的方法可以扩大到更大的有效面积-在光伏之上例如，通过使用MEMS致动器单独控制它们的平面外位移。研究人员现在正在考虑采用相同的方法进行超高精度位移控制，这次采用实际的光伏电池直接从热量发电。

“这种非常强大的非接触式传热通道可用于控制无法接触的精密纳米器件的温度，或通过将大量热量从热物体辐射到光伏电池，非常有效地将热量转换为电能在它的极端接近，“利普森补充道。“如果我们能够以光的形式将大量的热量从热物体照射到光伏电池，我们可以创建紧凑的模块，将热量直接转换为电能。这些模块可用于汽车内部，例如将燃烧发动机产生的余热转换回有用的电力。我们也可以在家中使用它们从替代能源发电，如生物燃料和储存的太阳能。

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