Ученые видели, как внутри графита, из которого сделан карандаш, происходит нечто волшебное: тепло движется волнами со скоростью звука.
Это довольно радужно по нескольким причинам: тепло не должно двигаться как волна. Оно обычно рассеивается и отскакивает от дрожащих молекул во всех направлениях. Если тепло может перемещаться как волна, оно может двигаться в одном направлении в массовом порядке от своего источника, как бы отбрасывая энергию сразу от объекта.
Когда-нибудь это поведение теплопередачи в графите может быть использовано для охлаждения микроэлектроники в мгновение ока, если заставить его работать при разумной температуре.
По словам исследователей, если он доберется до комнатной температуры в некоторых материалах, тогда будут перспективы для некоторых приложений.
Исследователи описали нормальное тепловое движение с помощью нагреваемого чайника. После выключения горелки тепловая энергия замирает на молекулах воздуха, которые сталкиваются друг с другом и передают тепло в процессе. Эти молекулы отскакивают 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 движутся, потому что атомы заблокированы в положении. То, что может двигаться,-это звуковые волны.
Скорее, тепло перескакивает на фононы или небольшие пакеты звуковой вибрации; фононы могут отскакивать и рассеиваться, перенося тепло, как молекулы воздуха из чайника.
Предыдущие исследования предсказывали, что тепло может перемещаться как волна при движении через графит или графен. Чтобы проверить это, исследователи MIT пересекли два лазерных луча на поверхности графита, создавая то, что называется интерференционной картиной. Это создало такую же картину нагретых и неотапливаемых областей на поверхности графита. Затем они направили еще один лазерный луч на установку, чтобы увидеть, что произошло, когда он попал в графит.
Как сообщают ученые, обычно тепло постепенно распространяется от нагретых областей к неотапливаемым, пока не смывается температурная картина.
Вместо этого тепло текло из нагретых областей в неотапливаемые и продолжало течь даже после выравнивания температуры повсюду, так что неотапливаемые области были на самом деле теплее, чем первоначально нагретые области. Между тем в нагретых районах стало еще холоднее, чем в неотапливаемых. И все это произошло быстро, примерно с той же скоростью, что звук обычно проходит в графит.
Тепло текло намного быстрее, потому что оно двигалось волнообразно, не рассеиваясь. Ученые получили это странное поведение, которое называют вторым звуком. С фундаментальной точки зрения, это просто не обычное поведение. Второй звук был измерен только в нескольких материалах при любой температуре. Все, что наблюдается, далеко от обычного. По словам ученых, это бросает им вызов, чтобы понять и объяснить это.
Графит или 3D-материал имеет слоистую структуру, в которой тонкие слои углерода едва знают, что другой есть, и поэтому они ведут себя, как графен, который является 2D-материалом.
Из-за того, что ученые называют этой низкой размерностью, фононы, несущие тепло в одном слое графита, с гораздо меньшей вероятностью будут отскакивать и рассеиваться от других слоев. Кроме того, фононы, способные образовываться в графите, имеют длины волн, которые в основном слишком велики, чтобы отражать назад после столкновения с атомами в решетке.
Явление, известное как обратное рассеяние. Эти маленькие звуковые пакеты действительно немного рассеиваются, но путешествуют в основном в одном направлении, что означает, что в среднем они могут путешествовать на большое расстояние намного быстрее
