Transferência de calor em nanoescala contraria teorias em 100 vezes

Redação do Site Inovação Tecnológica - 05/11/2025

A câmera térmica fica escondida em uma câmara de vácuo, localizada dentro de uma complexa instalação de testes.
[Imagem: Matthias Knust/University of Oldenburg]

A revolução do calor

Por muito tempo tida como uma área de conhecimento consolidado, a ciência do calor está vivendo dias de revolução, do movimento do calor como onda, do calor viscoso e de uma exceção à lei de 200 anos que rege a transferência de calor até a conversão do calor em eletricidade muito acima do limite teórico.

E parece que ainda há muitos mistérios quentes esperando pelos cientistas, como acabam de demonstrar Fridolin Geesmann e colegas da Universidade de Oldenburg, na Alemanha.

A novidade agora é que, quando você coloca um objeto a apenas alguns nanômetros de distância de um outro, o calor que flui entre eles é muito maior do que a teoria da física prevê - 100 vezes maior.

A conclusão geral do experimento é que os valores do calor radiativo no "regime de campo próximo extremo" são significativamente maiores do que as previsões teóricas, mas a causa subjacente desse fenômeno ainda está por ser explicada.

Esquema do aparato experimental, projetado para eliminar qualquer dúvida sobre os resultados.
[Imagem: Fridolin Geesmann et al. - 10.1103/lcz1-f5v9]

Transformar uma Ferrari em um trator

As leis de radiação formuladas pelos físicos Max Planck (1858-1947) e Gustav Kirchhoff (1824-1887) descrevem a transferência de calor entre dois objetos por meio da radiação térmica. As fórmulas fundamentais de Planck podem ser usadas para calcular a quantidade máxima de energia que um corpo pode irradiar como calor.

Os cientistas sabem há algum tempo que esse limite não se aplica mais à região do campo próximo, que corresponde a distâncias inferiores a dez micrômetros. Nessas distâncias, o fluxo de calor de um corpo para outro pode exceder o valor previsto pela lei de Planck por um fator de mil. Mas agora se descobriu que essa discrepância vai além, ganhando outras duas ordens de magnitude.

Neste novo experimento, os pesquisadores mudaram sua configuração de medição para investigar a transição da transferência de calor radiativo de campo próximo para campo próximo extremo, com alta precisão em várias distâncias. Entre os vários cuidados que tomaram para evitar confusões, eles usaram amostras extremamente limpas e usaram uma esfera como ponta de prova de um microscópio termal, o que reduziu drasticamente a resolução lateral da transferência de calor, mas permitiu fazer medições muito mais precisas e a distâncias maiores do que era possível até agora.

"Nós basicamente transformamos uma Ferrari em um trator, mas, ao fazer isso, aumentamos a precisão das medições de transferência de calor no regime de transição entre o campo próximo e o regime de campo próximo extremo," comparou o professor Achim Kittel.

O microscópio térmico de varredura de campo próximo é capaz de determinar o fluxo de calor entre uma sonda de medição e uma amostra separada por apenas alguns diâmetros moleculares, com uma precisão excepcional.
[Imagem: Matthias Knust/University of Oldenburg]

Busca de explicações e usos imediatos

O experimento mostrou que a transferência de calor no campo próximo extremo aumenta por um fator de cem em comparação com os valores previstos. A equipe está confiante de ter eliminado qualquer incerteza de medição, sendo este de fato um efeito não explicado pelos modelos teóricos existentes.

"Isso é, sem dúvida, de grande importância, pois o resultado questiona nossa compreensão atual da transferência de calor na faixa nanométrica," disse Kittel, acrescentando que agora é preciso buscar uma explicação para o fenômeno.

Contudo, mesmo que as explicações demorem, a descoberta deverá permitir controlar melhor a temperatura de nanossistemas em áreas como nanoeletrônica ou nano-óptica, onde é necessário aquecer ou resfriar objetos rapidamente sem tocá-los - por exemplo, os espelhos usados em experimentos com laser de alta precisão.

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