Panas merupakan fenomena yang kita hadapi sehari-hari. Secangkir kopi yang mengepul perlahan-lahan menjadi dingin, laptop menjadi panas saat digunakan, dan sinar matahari menghangatkan permukaan bumi. Namun ketika panas diperiksa pada jarak yang jauh lebih kecil dari lebar rambut manusia, panas dapat berperilaku tidak terduga.
Para peneliti di Universitas Carnegie Mellon, bekerja sama dengan kolaborator di Universitas Stanford dan Universitas Purdue, telah menunjukkan metode baru yang ampuh untuk mengendalikan panas pada skala nano. Temuan mereka, dipublikasikan di Alammemberikan bukti eksperimental yang kuat bahwa perpindahan panas dapat direkayasa secara sengaja dan ditingkatkan secara signifikan menggunakan metamaterial yang dirancang khusus.
Bagaimana panas berpindah melalui ruang kecil
Penelitian ini berfokus pada fenomena yang dikenal sebagai perpindahan panas radiasi jarak dekat. Ketika dua benda dipisahkan oleh jarak yang sangat kecil, hanya beberapa ratus nanometer, panas dapat mengalir di antara keduanya jauh lebih efisien dibandingkan dalam kondisi biasa.
Alih-alih hanya memancar ke luar, energi panas dapat melewati ruang sempit secara efisien menggunakan gelombang elektromagnetik. Proses ini memungkinkan lebih banyak panas mengalir dari satu benda ke benda lain daripada yang biasanya diperkirakan.
Para ilmuwan telah memahami efek ini selama bertahun-tahun, namun secara eksperimental menunjukkan bagaimana meningkatkannya secara signifikan masih merupakan sebuah tantangan.
Metamaterial meningkatkan perpindahan panas
Untuk melakukan hal ini, para peneliti beralih ke metamaterial, bahan rekayasa yang mengandung struktur mikroskopis berulang yang dirancang untuk berinteraksi dengan energi dengan cara yang sangat terkontrol.
“Tidak seperti material konvensional, metamaterial dibangun dengan pola kecil berulang yang berinteraksi dengan energi dengan cara yang tepat,” kata Sheng Shen, profesor teknik mesin di Carnegie Mellon University dan penulis utama studi tersebut. “Kami membuat pola struktur emas mikroskopis pada membran tipis dan menempatkannya berhadapan di ruang berskala nano. Hal ini meningkatkan perpindahan panas hingga empat kali lipat dibandingkan dengan pengaturan serupa tanpa metamaterial, yang jauh melampaui prediksi fisika tradisional pada jarak yang lebih jauh.”
Eksperimen tim menunjukkan bahwa struktur berpola emas secara signifikan meningkatkan jumlah panas yang melewati ruang, mencapai laju perpindahan panas hingga empat kali lebih tinggi dibandingkan sistem serupa yang tidak memiliki pola rekayasa.
Ilmu dibalik efeknya
Peningkatan ini bukan sekadar hasil dari penambahan rute baru untuk memungkinkan sirkulasi panas.
“Daripada hanya menambahkan lebih banyak jalur transmisi panas, struktur emas berinteraksi dengan gelombang energi alami yang ada dalam material, yang dikenal sebagai polariton fonon permukaan, menciptakan efek resonansi,” kata Zexiao Wang, seorang mahasiswa doktoral di kelompok penelitian Profesor Shen dan salah satu penulis pertama studi tersebut. “Getaran yang digabungkan ini memungkinkan energi bergerak lebih bebas dan efisien melalui ruang.”
Menurut peneliti, efek ini terjadi karena struktur mikroskopis material dan gelombang energi alami bekerja sama.
“Ini adalah efek kooperatif,” kata Shen. “Struktur dan materi saling menguatkan.”
Potensi aplikasi dalam elektronik dan energi
Penemuan ini bisa mempunyai kegunaan praktis yang penting. Ketika perangkat elektronik menjadi lebih kecil dan lebih bertenaga, menghilangkan panas berlebih telah menjadi salah satu tantangan teknis yang paling penting.
Kemampuan mengarahkan dan mengontrol panas dengan lebih efisien dapat menghasilkan metode pendinginan yang lebih baik untuk chip komputer dan sistem elektronik berkinerja tinggi lainnya.
Hasilnya juga dapat bermanfaat bagi teknologi energi. Sistem yang disebut termofotovoltaik menghasilkan listrik dari panas dengan mengubah radiasi termal menjadi energi yang dapat digunakan. Meningkatkan efisiensi perpindahan radiasi termal dapat membantu membuat teknologi ini lebih dapat diterapkan.
Selain itu, aplikasi yang melibatkan penginderaan inframerah dapat memperoleh manfaat dari sinyal termal yang lebih kuat dan terkontrol secara tepat. Potensi pemanfaatannya berkisar dari pemantauan lingkungan hingga keamanan nasional.
Sebuah langkah menuju teknik termal
Meskipun percobaan dilakukan di bawah kondisi laboratorium yang dikontrol dengan cermat dan tetap terbatas pada sistem skala nano, penelitian ini merupakan langkah penting dari prediksi teoretis hingga demonstrasi di dunia nyata.
“Jika panas dapat direkayasa dengan presisi yang sama seperti listrik atau cahaya, hal ini dapat membuka pintu bagi teknologi kelas baru yang dirancang tidak hanya untuk menahan panas, namun juga memanfaatkannya,” kata Shen.
Pekerjaan ini didukung oleh Badan Pengurangan Ancaman Pertahanan, National Science Foundation, dan Kantor Penelitian Ilmiah Angkatan Udara. Sheng Shen dan Shanhui Fan adalah penulis terkait. Zexiao Wang, Renwen Yu, dan Hakan Salihoglu memberikan kontribusi yang sama dalam pekerjaan ini.
