Une nouvelle étude publiée dans Communications de la nature montre, pour la première fois, la façon dont la chaleur bouge – ou plutôt, ne fait pas – entre les matériaux dans un état de plasma à haute densité.
Le travail devrait fournir une meilleure compréhension des expériences de fusion de confinement inertielle, qui visent à réaliser de manière fiable l'allumage de la fusion sur Terre à l'aide de lasers. La façon dont la chaleur circule entre un plasma chaud et la surface d'un matériau est également importante dans d'autres technologies, y compris la gravure des semi-conducteurs et les véhicules qui volent à des vitesses hypersoniques.
Les plasmas de haute densité à haute énergie ne sont produits qu'à des pressions et des températures extrêmes. L'étude montre que la résistance thermique interfaciale, un phénomène connu pour entraver le transfert de chaleur dans des conditions moins extrêmes, empêche également le flux de chaleur entre différents matériaux dans un état de plasma dense et super chaud.
La recherche a été menée par Thomas White, physicien à l'Université du Nevada, Reno, et son ancien doctorant, Cameron Allen.
« Comprendre comment l'énergie traverse une frontière est une question fondamentale, et ce travail nous fournit de nouvelles informations sur la façon dont cela se passe dans les environnements exceptionnellement riches en énergie que l'on trouve à l'intérieur des étoiles et des noyaux planétaires », explique Jeremiah Williams, directeur de programme pour le programme de physique plasma NSF.
L'expérience de White et Allen s'est concentrée sur la façon dont la chaleur se déplace entre le métal et le plastique chauffé à des températures et des pressions extrêmes. Pour ce faire, ils ont utilisé le laser oméga-60 puissant à l'Université de Rochester à New York pour chauffer les feuilles de cuivre et émettre des rayons X, qui chauffent uniformément un fil de tungstène métallique à côté d'un revêtement en plastique.
Dans leur expérience, le fil de tungstène a été chauffé à environ 180 000 degrés Fahrenheit tandis que son revêtement en plastique est resté relativement frais à « seulement » 20 000 degrés Fahrenheit. En utilisant une série de prises de vue laser avec un timing progressivement retardé, les chercheurs ont pu voir si la chaleur se déplaçait entre le tungstène et le plastique.
« Lorsque nous avons regardé les données, nous avons été totalement choqués parce que la chaleur ne coulait pas entre ces matériaux », a déclaré White. « Il était coincé à l'interface entre les matériaux, et nous avons passé beaucoup de temps à essayer de comprendre pourquoi. »
La raison en était la résistance thermique interfaciale. Les électrons dans le matériau plus chaud arrivent à l'interface entre les matériaux transportant de l'énergie thermique, mais se dispersent et se dispersent ensuite dans le matériau plus chaud, explique le blanc.
« Les laboratoires laser à haute énergie fournissent un outil essentiel pour développer une compréhension précise de ces environnements extrêmes – et cela a des implications pour une grande variété de technologies importantes, des diagnostics médicaux aux applications de sécurité nationale », ajoute Williams.
