I ricercatori infrangono una regola fondamentale per creare un nuovo concetto: il calore che può essere diretto e "programmato"

I ricercatori hanno raggiunto un progresso rivoluzionario nell'ingegneria termica rompendo un principio fisico di lunga data noto come reciprocità. Tradizionalmente, i materiali assorbono ed emettono calore in modo simmetrico - ciò che funziona per assorbire calore in una direzione specifica si applica ugualmente all'emissione. Questa limitazione ha limitato il controllo indipendente dei processi di assorbimento e emissione di calore. Tuttavia, una recente scoperta consente agli scienziati di dirigere e programmare il calore in modi precedentemente ritenuti impossibili. L'innovazione coinvolge una nuova combinazione di materiali magneto-ottici e una sostanza unica di cambio di fase nota come GST.

Questi materiali interagiscono con la luce in risposta a stimoli esterni come i campi magnetici. Quando sono integrati, formano un dispositivo in grado di manipolare la radiazione termica direzionalmente. Ciò significa che il materiale può assorbire il calore da un lato emettendolo contemporaneamente da un altro, dirigendo efficacemente l'energia termica. Tale controllo apre possibilità per applicazioni avanzate tra cui sistemi di gestione termica avanzati, metodi di conversione di energia migliorati e tecnologie di rilevamento a infrarossi innovative.

Shunsuke Murai della Graduate School of Engineering dell'Università Metropolitana di Osaka, ha sviluppato un prototipo che dimostra queste capacità. I loro risultati sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista Laser & Photonics Reviews. Il dispositivo non solo dirige la radiazione di calore, ma è anche dotato di una funzionalità di on/off switch, che gli consente di mantenere la sua configurazione anche dopo la rimozione dell'alimentazione. Questa caratteristica assomiglia a come i dati vengono memorizzati in un microchip, suggerendo potenziali usi in dispositivi termici programmabili. Un vantaggio significativo di questa tecnologia risiede nelle sue prestazioni sotto angoli di incidenza quasi normali.

I precedenti tentativi di raggiungere il controllo direzionale del calore spesso richiedevano che la luce colpisse il materiale ad angoli estremi, il che riduceva l'efficienza. Il nuovo dispositivo funziona in modo efficiente anche quando la luce si avvicina quasi perpendicolarmente alla sua superficie. Inoltre, i modelli precedenti avevano meccanismi di commutazione incoerenti e mancavano di conservazione della memoria stabile una volta spenta. L'attuale sistema affronta questi problemi, offrendo una piattaforma più affidabile per gli sviluppi futuri. Il professor Okamoto prevede un futuro in cui dispositivi compatti possono gestire attivamente la radiazione termica simile a come i circuiti elettronici regolano le correnti elettriche.

Le potenziali applicazioni includono sensori a infrarossi più sofisticati, sistemi energetici ad alta efficienza e nuove forme di memoria fotonica che utilizzano luce e calore piuttosto che cariche elettriche per l'archiviazione delle informazioni. Questi progressi potrebbero portare a un isolamento degli edifici più efficiente, una migliore regolazione termica nell'elettronica e tecniche di raccolta dell'energia migliorate. Le implicazioni di questa scoperta vanno oltre l'interesse teorico. Le implementazioni pratiche potrebbero rivoluzionare diversi settori fornendo un controllo preciso sulla dinamica termica. Ad esempio, nella costruzione, gli edifici potrebbero regolare in modo adattivo le loro proprietà termiche in base alle condizioni ambientali.

Nell'elettronica di consumo, i dispositivi potrebbero dissipare il calore in modo più efficace, migliorando le prestazioni e la longevità. Inoltre, nell'imaging medico e nel telerilevamento, la capacità di manipolare le emissioni termiche potrebbe produrre immagini più chiare e letture più accurate. Man mano che i ricercatori continuano a perfezionare questa tecnologia, ulteriori studi si concentreranno sull'incremento della produzione e sull'integrazione di questi materiali nei sistemi esistenti.

Sebbene le sfide riguardanti l'efficacia in termini di costi e la scalabilità rimangano, i principi fondamentali stabiliti da questa ricerca forniscono un quadro solido per le future innovazioni nell'ingegneria termica.