Colocar objetos extremamente perto um do outro pode aumentar a transferência de calor por radiação, de acordo com um novo estudo que demonstra a quebra da Lei de Planck

Por David L. Chandler,
MIT News Office
29 de julho de 2009

Uma lei firmemente estabelecida da física descreve a transferência de calor entre dois objetos, porém alguns físicos a muito tempo prediziam que essa lei deveria ser quebrada quando os objetos estivessem muito próximos. Entretanto, os cien­tistas jamais tinham podido confirmar – sequer medir – essa quebra na prática. Pela primeira vez, os pesquisadores do MIT conseguiram realizar esse feito e comprovaram que a transferência de calor pode ser até 1.000 vezes maior do que o previsto na lei.

As novas descobertas podem levar a novas aplicações significativas que incluem melhores projetos das cabeças de gravação dos discos rígidos usados para a armazenagem de dados em computadores e novos tipos de dispositivos para coletar a energia do calor que, de outra forma, seria desperdiçada.

A Lei da Radiação do Corpo Negro de Planck, formulada em 1900 pelo físico ale­mão Max Planck, descreve como a energia é dissipada na forma de diferentes comprimentos de onda de radiação, a partir de um objeto ideal não-reflexivo, chamado de corpo negro. A lei diz que a emissão proporcional de radiação em diferentes comprimentos de onda segue um padrão preciso que varia de acordo com a temperatura do objeto. A emissão de um corpo negro é usualmente con­siderada o máximo que um objeto pode irradiar.

A lei funciona perfeitamente na maioria dos casos, porém o próprio Planck sugeriu que, quando os objetos estivessem muito próximos, as previsões feitas pela lei seriam quebradas. No entanto, controlar os objetos de forma a manter as minúsculas separações necessárias para demonstrar este fenômeno se provou uma tarefa incrivelmente.

Gang Chen, Professor “Carl Richard Soderberg” de Engenharia de Energia e diretor do Laboratório Pap­palardo de Micro e Nano Engenharia do MIT, ex­plica: “Planck foi muito cuidadoso ao dizer que sua teoria só era válida para sistemas grandes. Dessa forma ele meio que antecipou essa quebra, mas a maioria das pessoas não sabe disto”.

Parte do problema em medir a forma como a energia é irradiada quando os objetos estão muito próximos reside na dificuldade mecânica em manter os objetos em estreita proximidade sem que eles realmente se toquem. Chen e sua equipe, o estudante de pós-gra­duação Sheng
Shen e o Professor da Universidade de Columbia Arvind Nara­yaswamy, solucionaram este problema de duas maneiras, descritas em um artigo a ser publicado na edição de agosto de Nano Letters (atualmente disponível online). Em primeiro lugar, ao invés de usar duas superfícies planas e tentar manter um minúsculo intervalo entre elas, eles usaram uma superfície plana próxima de uma pequena conta de vidro redonda, cuja posição é mais fácil de controlar. “Se usarmos duas superfícies paralelas, fica muito difícil levá-las à escala nanométrica sem que algumas partes se toquem”, explica Chen, mas com o uso de uma conta só há um único ponto de quase-contato, o que é bem mais fácil de manter. Em segundo lugar, eles usaram a tecnologia do cantilever bimetálico de um microscópio de força atômica para medir as mudanças de tem­peratura com grande precisão.

“Por muitos anos tentamos fazê-lo com placas para­lelas”, descreve Chen. Mas com esse método não foram capazes de manter separações menores do que cerca de um mícron (um milionésimo de metro). Usando contas de vidro (sílica), eles conseguiram ob­ter separações de até 10 nanômetros (10 bilionésimos de metro, ou seja, um centésimo da distância conse­guida anteriormente) e agora estão tentando obter separações menores ainda.

O professor Sir John Pendry do Imperial College London, que realizou extensos trabalhos neste campo, chama os resultados de “muito entusiasmantes”, ao mesmo tempo que observa que os teóricos desde há muito previam essa quebra e a ativação de um meca­nismo mais poderoso.

“A confirmação experimental se mostrou elusiva por causa da extrema dificuldade em medir diferenças de temperatura em distâncias muito pequenas”, diz Pendry. “As experiências de Gang Chen dão uma elegante solução para essa dificuldade e confirmam a contribuição preponderante dos efeitos de campo próximo na transferência de calor”.

Nos sistemas atuais de gravação magnética de dados – tais como o usado nos discos rígidos de computador – o espaçamento entre a cabeça de gravação e a superfície do disco fica tipicamente na faixa de 5 a 6 nanômetros, diz Chen says. A cabeça tende a se aquecer e os pesquiadores têm procurado por meios para gerenciar esse calor e até mesmo explorar o aquecimento para controlar o espaçamento. Segundo ele, “é uma questão muito importante para a arma­zenagem de dados”. Tais aplicações podem ser desenvolvidas bem rapidamente – prossegue ele – e algumas companhias já mostraram um grande interesse pelo trabalho.

As novas descobertas podem também auxiliar o desenvovimento de novos dispositivos de conversão de energia fotovoltáica para captar os fótons emitidos por uma fonte de calor, chamada de termofotovoltáica. Segundo Chen, “O alto fluxo de fótons potencialmente pode permitir a fabricação de conversores de energia termofotovoltáicos mais eficientes e com maior densidade de energia, e até dispositivos totalmente novos de conversão de energia”.

Shen diz que as novas descobertas podem ter “um largo impacto”. As pessoas que trabalham com dispositivos que usam separações muito pequenas, agora podem entender claramente que a Lei de Planck “não é uma limitação fundamental”, como muitos pensavam até agora. Mas Chen adverte que mais pesquisas são necessárias para explorar separações ainda menores porque “não sabemos exatamente qual é o limite ainda” em termos de quanto calor pode ser dissipado em sistemas estreitamente separados. “As teorias correntes não serão mais válidas quando passarmos do intervalo de 1 nanômetro”.

E ele finaliza: “além das aplicações práticas, tais experimentos podem ser uma ferramenta útil para compreender alguma física básica”.

O trabalho foi financiado pelo Departamento de Energia e pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA.