Il calore è qualcosa con cui veniamo a contatto ogni giorno. Una tazza di caffè fumante si raffredda gradualmente, un computer portatile si riscalda durante l’uso e la luce del sole riscalda la superficie terrestre. Eppure, quando il calore viene esaminato a distanze molto inferiori allo spessore di un capello umano, può comportarsi in modi inaspettati.
I ricercatori della Carnegie Mellon University, in collaborazione con colleghi della Stanford University e della Purdue University, hanno dimostrato un nuovo e potente metodo per controllare il calore su scala nanometrica. I loro risultati, pubblicati su Nature , forniscono solide prove sperimentali che il trasferimento di calore può essere intenzionalmente progettato e significativamente migliorato utilizzando metamateriali appositamente creati.
Come il calore si propaga attraverso piccoli spazi
La ricerca si concentra su un fenomeno noto come trasferimento di calore radiativo in campo vicino. Quando due oggetti sono separati da una distanza estremamente piccola, di poche centinaia di nanometri, il calore può viaggiare tra di essi in modo molto più efficiente rispetto a quanto avverrebbe in condizioni normali.
Anziché irradiarsi semplicemente verso l’esterno, l’energia termica può efficacemente attraversare lo stretto spazio attraverso onde elettromagnetiche. Questo processo permette un flusso di calore molto maggiore da un oggetto all’altro rispetto a quanto ci si aspetterebbe normalmente.
Gli scienziati conoscono questo effetto da anni, ma dimostrare sperimentalmente come potenziarlo in modo significativo è rimasta una sfida.
I metamateriali potenziano il trasferimento di calore
Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori si sono rivolti ai metamateriali, materiali ingegnerizzati che contengono strutture microscopiche ripetitive progettate per interagire con l’energia in modi altamente controllati.
“A differenza dei materiali convenzionali, i metamateriali sono costituiti da minuscoli motivi ripetitivi che interagiscono con l’energia in modi precisi”, ha affermato Sheng Shen, professore di ingegneria meccanica alla Carnegie Mellon University e autore senior dello studio. “Abbiamo modellato strutture microscopiche in oro su membrane sottili e le abbiamo posizionate una di fronte all’altra attraverso uno spazio su scala nanometrica. Ciò ha aumentato il trasferimento di calore fino a quattro volte rispetto a configurazioni simili senza metamateriali, un risultato di gran lunga superiore a quanto previsto dalla fisica tradizionale a distanze maggiori.”
Gli esperimenti del team hanno dimostrato che le strutture con motivi dorati aumentavano sostanzialmente la quantità di calore che si trasferiva attraverso l’intercapedine, raggiungendo tassi di trasferimento termico fino a quattro volte superiori rispetto a sistemi comparabili privi di tali motivi.
La scienza alla base dell’effetto
Il miglioramento non è semplicemente il risultato dell’aggiunta di ulteriori percorsi per la propagazione del calore.
“Anziché limitarsi ad aggiungere ulteriori percorsi per il calore, le strutture in oro interagiscono con le onde energetiche naturali presenti nel materiale, note come polaritoni fononici di superficie, creando un effetto di risonanza”, ha affermato Zexiao Wang, dottorando nel gruppo di ricerca del professor Shen e co-primo autore dello studio. “Queste vibrazioni accoppiate consentono all’energia di muoversi più liberamente ed efficientemente attraverso l’intercapedine.”
Secondo i ricercatori, l’effetto si manifesta perché le strutture microscopiche e le onde energetiche naturali del materiale lavorano insieme.
“È un effetto sinergico”, ha affermato Shen. “Le strutture e il materiale si amplificano a vicenda.”
Possibili applicazioni in elettronica ed energia
Questa scoperta potrebbe avere importanti applicazioni pratiche. Poiché i dispositivi elettronici continuano a diventare sempre più piccoli e potenti, la dissipazione del calore in eccesso è diventata una delle sfide ingegneristiche più importanti.
La capacità di dirigere e controllare il calore in modo più efficace potrebbe portare a metodi di raffreddamento migliori per i chip dei computer e altri sistemi elettronici ad alte prestazioni.
I risultati potrebbero inoltre apportare benefici alle tecnologie energetiche. I sistemi termofotovoltaici generano elettricità dal calore convertendo la radiazione termica in energia utilizzabile. Aumentare l’efficienza del trasferimento di radiazione termica potrebbe contribuire a rendere queste tecnologie più praticabili.
Inoltre, le applicazioni che utilizzano il rilevamento a infrarossi potrebbero trarre vantaggio da segnali termici più intensi e controllati con maggiore precisione. I potenziali utilizzi spaziano dal monitoraggio ambientale alla sicurezza nazionale.
Un passo avanti verso l’ingegneria termica
Sebbene gli esperimenti siano stati condotti in condizioni di laboratorio attentamente controllate e rimangano limitati a sistemi su scala nanometrica, il lavoro rappresenta un importante passo avanti dalle previsioni teoriche alla dimostrazione nel mondo reale.
“Se il calore potesse essere controllato con la stessa precisione dell’elettricità o della luce, si aprirebbero le porte a una nuova classe di tecnologie progettate non solo per resistere al calore, ma anche per sfruttarlo”, ha affermato Shen.
Questo lavoro è stato finanziato dalla Defense Threat Reduction Agency, dalla National Science Foundation e dall’Air Force Office of Scientific Research. Sheng Shen e Shanhui Fan sono gli autori corrispondenti. Zexiao Wang, Renwen Yu e Hakan Salihoglu hanno contribuito in egual misura a questo lavoro.
Abstract
Quando l’energia termica radiativa viene scambiata nel campo vicino, le onde superficiali evanescenti come i polaritoni fononici di superficie possono attraversare per effetto tunnel l’intercapedine, aumentando il trasferimento di calore oltre il limite del corpo nero nel campo lontano di diversi ordini di grandezza. Tali flussi di energia radiativa estremi sono stati dimostrati sperimentalmente in materiali dielettrici che supportano polaritoni fononici di superficie.Sebbene teorie e simulazioni abbiano suggerito che i metamateriali rappresentino una via promettente per manipolare e migliorare ulteriormente lo scambio termico radiativo in campo vicino, oltre i limiti dei materiali non strutturati di tipo Drude o Lorentz. La validazione sperimentale rimane tuttavia elusiva. In questo lavoro dimostriamo sperimentalmente l’incremento, mediato da metamateriali, del trasferimento di calore radiativo in campo vicino tra risonatori ad anello spezzato in oro modellati su membrane di nitruro di silicio (SiN). Rispetto a piastre d’oro non strutturate sulla membrana di SiN o a membrane di SiN nude, il trasferimento di calore radiativo tra i metamateriali risulta aumentato di diverse volte. Questo incremento osservato deriva dai modi risonanti del risonatore ad anello spezzato e dal loro forte accoppiamento con i polaritoni fononici di superficie nella membrana di SiN, come supportato da simulazioni elettromagnetiche dirette e modelli di teoria dei modi accoppiati. Il nostro lavoro fornisce una verifica sperimentale della forte capacità dei metamateriali di manipolare lo scambio di energia radiativa in campo vicino, aprendo nuove opportunità per la raccolta di energia termica e le applicazioni di rilevamento a infrarossi.
Materials provided by College of Engineering, Carnegie Mellon University. Note: Content may be edited for style and length.
Zexiao Wang, Renwen Yu, Hakan Salihoglu, Xiao Luo, Zhuo Li, Hyeonggyun Kim, Xiu Liu, Tianyi Huang, Yibai Zhong, Shanhui Fan, Sheng Shen. Metamaterial-enhanced near-field radiative heat transfer. Nature, 2026; 654 (8117): 64 DOI: 10.1038/s41586-026-10595-4
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