Des chercheurs de l'Université du Massachusetts à Amherst ont découvert que dans certains matériaux comme les plastiques et les verres, la transmission de chaleur implique un rayonnement électromagnétique, remettant en question la compréhension traditionnelle dictée par la loi de Fourier et suggérant de nouvelles voies d'ingénierie de gestion thermique. Crédit : Issues.fr.com
L'équipe de recherche réécrit les manuels en montrant que le rayonnement électromagnétique est une voie indépendante de transmission de chaleur dans les matériaux translucides.
Une équipe de chercheurs dirigée par l'Université du Massachusetts à Amherst a récemment découvert une exception à la loi vieille de 200 ans, connue sous le nom de loi de Fourier, qui régit la façon dont la chaleur se diffuse à travers les matériaux solides. Bien que les scientifiques aient montré précédemment qu'il existe des exceptions à la loi au niveau à l'échelle nanométriquela recherche, publiée dans le Actes de l'Académie nationale des sciencesest le premier à montrer que cette loi ne s'applique pas toujours à l'échelle macro et que le rayonnement électromagnétique pur est également à l'œuvre dans certains matériaux courants comme les plastiques et les verres.
Explorer de nouvelles voies de transmission de chaleur
« Cette recherche a commencé avec une question simple », explique Steve Granick, professeur Robert K. Barrett de science et d'ingénierie des polymères à l'UMass Amherst et auteur principal de l'article. « Et si la chaleur pouvait être transmise par une autre voie, pas seulement celle que les gens pensaient ?
La chaleur rayonnante est la chaleur que nous ressentons du soleil ; ses ondes électromagnétiques réchauffent notre peau lorsque le soleil brille. La diffusion, quant à elle, est la façon dont votre tasse de thé réchauffera votre main après que vous vous en soyez servi une nouvelle tasse. Depuis 200 ans, les scientifiques croient que la diffusion explique la façon dont la chaleur se propage à travers les solides. « Mais parfois », explique Granick, « la créativité exige que l'on mette le manuel de côté pendant un moment. »
Zheng et Granick travaillent au laboratoire. Cette photo a été prise à l'aide de la caméra infrarouge qu'ils ont utilisée pour leurs expériences. Les couleurs mesurent les températures. Notez que leur peau est chaude et leurs cheveux plus froids. Crédit : Université du Massachusetts Amherst
Découvertes expérimentales au-delà de la loi de Fourier
Granick, Shankar Ghosh de l'Institut Tata pour la recherche fondamentale et l'auteur principal Kaikai Zheng, chercheur principal à l'UMass Amherst, ont émis l'hypothèse qu'une exception à la loi de Fourier pourrait être trouvée dans les polymères translucides et les verres inorganiques. La chaleur se diffuse à travers les deux matériaux, mais l’équipe a émis l’hypothèse que leur translucidité pourrait également permettre à l’énergie de rayonner à travers les matériaux.
Pour tester cette hypothèse, ils ont placé des échantillons de matériaux dans une chambre à vide, ce qui éliminerait l'air responsable de la distribution convective de la chaleur. Ils ont ensuite créé une impulsion de chaleur dans un échantillon en utilisant un laser pour chauffer une petite zone et, dans l’autre échantillon, ont chauffé un côté tout en gardant l’autre côté froid. Ils ont ensuite utilisé une caméra infrarouge spéciale pour observer la propagation de la chaleur dans leurs échantillons. En répétant l'expérience plusieurs fois, ils ont découvert des anomalies que la loi de Fourier ne pouvait pas expliquer entièrement.
« Personne n'a essayé cela auparavant », déclare Zheng. « Il se passe quelque chose d'inattendu au sein des polymères translucides. »
Il s’avère que les matériaux translucides permettent à l’énergie de rayonner à l’intérieur, interagissant avec de petites imperfections structurelles, qui deviennent alors des sources de chaleur secondaires. Ces sources de chaleur secondaires elles-mêmes continuent à rayonner de la chaleur à travers le matériau.
Implications et conclusions
« Ce n'est pas que la loi de Fourier soit fausse », souligne Granick, « simplement qu'elle n'explique pas tout ce que nous voyons en matière de transmission de chaleur. La recherche fondamentale comme la nôtre nous permet de mieux comprendre le fonctionnement de la chaleur, ce qui offrira aux ingénieurs de nouvelles stratégies pour concevoir des circuits thermiques.
Cette recherche a été soutenue par la Barrett Family Foundation et l’Institut coréen des sciences fondamentales.
