Un team di ricercatori del MIT ha fatto una scoperta rivoluzionaria che potrebbe cambiare la nostra comprensione di come il calore si diffonde nei materiali solidi. La scoperta riguarda un’eccezione alla legge di Fourier, una legge fondamentale della fisica che risale a oltre 200 anni fa.
La legge di Fourier
La legge di Fourier afferma che il flusso di calore attraverso un materiale è proporzionale alla differenza di temperatura tra le due estremità e all’area attraverso la quale il calore scorre. In altre parole, più grande è la differenza di temperatura e maggiore è l’area, più velocemente il calore si diffonde. Tuttavia, negli ultimi decenni, i ricercatori hanno scoperto che su scala nanometrica questo modello di diffusione non funziona. La legge di Fourier viene meno e non prevede più la velocità con cui il calore si sposterà attraverso un materiale solido.
Il fisico dei polimeri Kaikai Zheng dell’Università del Massachusetts, Amherst e colleghi, si sono chiesti se potessero esserci eccezioni simili alla legge di Fourier da trovare su macroscala, in materiali trasparenti come polimeri traslucidi e vetri inorganici.
Essendo traslucidi, questi materiali lasciano passare alcune lunghezze d’onda della luce. Sebbene essa non venga assorbita completamente come nei materiali opachi, si disperde, facendo rimbalzare le impurità nella struttura del materiale.
La nuova scoperta sfida la legge di Fourier
Questo ha portato Zheng e colleghi a ipotizzare che, oltre alla diffusione del calore attraverso questi materiali solidi, la loro traslucenza potrebbe anche consentire all’energia termica di viaggiare attraverso i materiali anche sotto forma di radiazione termica. Il calore radiante viene trasportato attraverso l’aria sotto forma di onde elettromagnetiche, principalmente radiazioni infrarosse, e un esempio è il calore che percepiamo dai raggi del Sole.
Steve Granick, scienziato dei materiali anche lui presso l’Università del Massachusetts, Amherst e autore senior, ha spiegato: “Questa ricerca è iniziata con una semplice domanda: ‘E se il calore potesse essere trasmesso attraverso i solidi in un modo diverso da quello che tutti hanno ipotizzato'”?
I ricercatori, per testare la loro ipotesi, hanno costruito un apparato sperimentale all’avanguardia composto da strisce di materiali di prova che hanno sospeso, una per una, all’interno di una camera a vuoto su misura. Il vuoto ha eliminato la possibilità di dissipazione del calore dai materiali attraverso l’aria.
Il team, successivamente, ha sparato impulsi laser in frazioni di secondo sui materiali per riscaldarli e ha misurato come il calore si è diffuso attraverso ciascuno di essi utilizzando tre metodi: un sensore di temperatura posizionato direttamente sulla superficie del materiale; la misurazione del cambiamento di colore di un rivestimento sensibile alla temperatura dipinto sul campione; e una telecamera a infrarossi.
Legge Fourier: implicazioni future
I dati hanno mostrato che il riscaldamento si è verificato più velocemente di quanto possa essere attribuito alla diffusione, indicando che la radiazione contribuisce in modo significativo al flusso di calore durante i primi tempi successivi a un impulso, sebbene il contributo relativo della radiazione diminuisca quando la diffusione diventa dominante nei tempi successivi. I risultati sono stati pubblicati su PNAS.
Granick ha chiarito: “Non è che la legge di Fourier sia sbagliata, semplicemente non spiega tutto ciò che vediamo quando si tratta di trasmissione del calore”.
Il team suggerisce che i materiali traslucidi irradiano calore internamente poiché le imperfezioni strutturali agiscono come assorbitori e fonti di calore, consentendo ad esso di propagarsi da un punto all’altro anziché diffondersi lentamente.
I ricercatori hanno concluso aggiungendo che le loro scoperte potrebbero aiutare gli ingegneri a progettare nuove strategie per la gestione del calore nei materiali traslucidi, ora che il loro studio ha fornito una comprensione più ampia di come il calore stesso si diffonde nei solidi, circa 200 anni dopo che questo fenomeno è stato descritto per la prima volta in termini matematici.
