Ученые видели, как внутри графита происходит нечто волшебное, из чего сделан ваш карандашный наконечник: тепло движется волнами со скоростью звука.
Это очень радует по нескольким причинам: тепло не должно двигаться как волна - обычно оно рассеивается и отскакивает от движущихся молекул во всех направлениях; Если тепло может распространяться как волна, оно может массово двигаться в одном направлении от своего источника, что-то вроде мгновенного выброса энергии от объекта. Когда-нибудь такое поведение теплопередачи в графите может быть использовано для быстрого охлаждения микроэлектроники. То есть, если они могут заставить его работать при разумной температуре (они работали при температуре охлаждения до минус 240 градусов по Фаренгейту или минус 151 градусов по Цельсию).
«Если он достигнет комнатной температуры в некоторых материалах, тогда будут перспективы для некоторых применений», - сказал исследователь-исследователь Кит Нельсон, химик из Массачусетского технологического института, в интервью Live Science, добавив, что это самая высокая температура, когда-либо наблюдавшая такое поведение.
Садись в поезд
Исследователи описали «нормальное» движение тепла с помощью нагретого чайника - после выключения горелки эта тепловая энергия приводит в движение молекулы воздуха, которые сталкиваются друг с другом и в процессе передают тепло. Эти молекулы подпрыгивают во всех направлениях; некоторые из этих молекул рассеиваются обратно в чайник. Со временем вода в чайнике и окружающая среда достигают равновесия при одинаковой температуре.
В твердых телах молекулы не двигаются, потому что атомы заблокированы в положении. «То, что может двигаться, - это звуковые волны», - сказал Нельсон, который говорил с Live Science вместе с соавтором Гангом Ченом, инженером-механиком в MIT.
Скорее, тепло прыгает на фононы или небольшие пакеты звуковой вибрации; фононы могут подпрыгивать и рассеиваться, перенося тепло, как молекулы воздуха из котла.
Странная волна тепла
Это не то, что произошло в этом новом эксперименте.
Предыдущая теоретическая работа Чена предсказывала, что тепло может распространяться как волна при движении через графит или графен. Чтобы проверить это, исследователи из Массачусетского технологического института пересекли два лазерных луча на поверхности своего графита, создав так называемую интерференционную картину, в которой были параллельные линии света и не было света. Это создало ту же картину нагретых и неотапливаемых областей на поверхности графита. Затем они направили другой лазерный луч на установку, чтобы увидеть, что произошло, когда он ударил в графит.
«Обычно тепло будет постепенно распространяться от нагретых областей к неотапливаемым областям, пока температурный режим не будет смыт», - сказал Нельсон. «Вместо этого тепло текло из нагретых в неотапливаемые районы и продолжало течь даже после того, как температура была выровнена повсеместно, поэтому неотапливаемые районы были фактически теплее, чем первоначально нагретые районы». Тем временем нагретые районы стали еще холоднее, чем неотапливаемые. И все это происходило с невероятной скоростью - примерно с той же скоростью, с которой звук обычно распространяется в графите.
«Тепло текло намного быстрее, потому что оно двигалось волнообразно, без рассеяния», - сказал Нельсон в интервью Live Science
Как они получили такое странное поведение, которое ученые называют «вторым звуком», в графите?
«С фундаментальной точки зрения это просто необычное поведение. Второй звук был измерен только в нескольких материалах, когда-либо, при любой температуре. Все, что мы наблюдаем, это далеко от обыденности, заставляет нас понять и объяснить это», - сказал Нельсон. ,
Вот что, по их мнению, происходит: графит, или трехмерный материал, имеет слоистую структуру, в которой тонкие углеродные слои едва ли знают, что другой присутствует, и поэтому они ведут себя как графен, который является двумерным материалом. Из-за того, что Нельсон называет это «низкой размерностью», фононы, переносящие тепло в одном слое графита, гораздо реже отскакивают и рассеиваются в других слоях. Кроме того, фононы, которые могут образовываться в графите, имеют длины волн, которые в большинстве случаев слишком велики, чтобы отражаться назад после столкновения с атомами в решетке, явление, известное как обратное рассеяние. Эти маленькие звуковые пакеты немного рассеиваются, но движутся в основном в одном направлении, что означает, что в среднем они могут путешествовать на большое расстояние гораздо быстрее.
Примечание редактора: эта статья была обновлена, чтобы прояснить некоторые методы эксперимента и тот факт, что тепло распространялось примерно с той же скоростью, что и звук, проходящий через графит, а не воздух, как было указано ранее.
