Das Gesetz auf der Nanoskala brechen

Jedes Mal, wenn Sie ein Stück Metall rotglühend glühen sehen oder sich mit zunehmender Hitze gelb oder weiß verfärben, sehen Sie das Plancksche Gesetz in Aktion. Das jahrhundertealte Prinzip, das beschreibt, wie Energie von einem idealisierten, nicht reflektierenden schwarzen Objekt abgestrahlt wird, gilt für alles, von einer gusseisernen Bratpfanne bis zur Oberfläche eines Sterns. Aber es stellt sich heraus, dass es eine Lücke gibt.

Nahansicht Professor Gang Chen mit der in seiner Forschung verwendeten Vakuumkammer.

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Das Plancksche Gesetz besagt, dass die thermische Emission von Strahlung bei verschiedenen Wellenlängen einem genauen Muster folgt, das je nach Temperatur des Objekts variiert. Als der deutsche Physiker Max Planck 1900 das Gesetz vorschlug, vermutete er, dass es nicht gelten würde, wenn zwei Objekte sehr nahe beieinander liegen. Doch es dauerte bis zu diesem Jahr, um seine Vermutung zu beweisen, denn Objekte so nah zu halten, ohne sie berühren zu lassen, ist eine große Herausforderung. Jetzt haben MIT-Forscher gezeigt, dass die Wärmeübertragung zwischen Objekten, die wenige Nanometer voneinander entfernt sind, um drei Größenordnungen größer sein kann, als das Gesetz vorhersagen würde.



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Diese Geschichte war Teil unserer November-Ausgabe 2009

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Der Professor für Energietechnik Gang Chen und sein Team, Doktorand Sheng Shen und Professor Arvind Narayanaswamy von der Columbia University, PhD ‘07, beschrieben, wie sie es letzten Sommer in einem Artikel in der Zeitschrift Nano Letters gemacht haben. Wenn wir zwei parallele Oberflächen verwenden, ist es sehr schwierig, den Nanometerbereich zu erreichen, ohne dass sich einige Teile berühren, erklärt Chen. Stattdessen verwendeten sie eine kleine, runde Glasperle neben einer ebenen Fläche. Die Objekte berührten sich nur an einer Stelle am nächsten, wodurch die Trennung viel einfacher zu halten war. Die Forscher konnten Abstände von nur 10 Nanometern testen.

Die Ergebnisse könnten zu neuartigen Photovoltaik-Geräten führen, die von einer Wärmequelle emittierte Photonen nutzbar machen und es ermöglichen, Energie aus Wärme zu gewinnen, die ansonsten verschwendet würde. Sie könnten auch in magnetischen Datenaufzeichnungssystemen wie Computerfestplatten nützlich sein, wo der Abstand zwischen dem Aufzeichnungskopf und der Plattenoberfläche typischerweise im Bereich von fünf bis sechs Nanometern liegt. Der Kopf neigt dazu, sich zu erhitzen, und Forscher haben nach Wegen gesucht, die Hitze zu bewältigen oder sogar auszunutzen. Einige Aufzeichnungsmaterialien müssen beispielsweise erhitzt werden, normalerweise mit einem Laserstrahl, bevor ihre Oberflächen vom Kopf magnetisiert werden können. Wenn Forscher verstehen, wie die Wärmeübertragung bei diesen Entfernungen funktioniert, könnten sie möglicherweise eine Möglichkeit für den Kopf entwickeln, seine eigene Wärme bereitzustellen.

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Um zu untersuchen, was bei noch kleineren Abständen passiert, seien noch weitere Arbeiten erforderlich, sagt Chen, denn die Forscher wissen nicht genau, wie viel Wärme in eng beieinander liegenden Systemen abgeführt werden kann.

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