Учените са видели нещо вълшебно в графита, нещата, от които е направено моливът ви: Топлината се движи във вълни със скоростта на звука.
Това е доста приятно поради няколко причини: Топлината не трябва да се движи като вълна - тя обикновено се разпространява и отскача от трептящи молекули във всяка посока; Ако топлината може да пътува като вълна, тя може да се движи в една посока масово далеч от източника си, като задържа енергия наведнъж от обект. Някой ден това поведение на топлопредаване в графит може да се използва за охлаждане на микроелектрониката за кратко. Тоест, ако успеят да го накарат да работи с разумна температура (те са работили при температура на охлаждане на костите от минус 240 градуса по Фаренхайт, или минус 151 градуса по Целзий).
"Ако в някои материали се достигне до стайна температура, тогава би имало перспективи за някои приложения", казва за Live Science изследователят Кийт Нелсън, химик от MIT, добавяйки, че това е най-високата температура, която всеки е виждал да се проявява това поведение.
Качете се на топлинния влак
Изследователите описали "нормалното" движение на топлина с помощта на отоплен чайник - След изключване на горелката, тази топлинна енергия се движи върху молекули въздух, които се нахвърлят една в друга и предават топлина в процеса. Тези молекули скачат във всяка посока; някои от тези молекули се разпръскват обратно до чайника. С течение на времето водата от чайника и околността достигат равновесие при една и съща температура.
В твърдите частици молекулите не се движат, тъй като атомите са заключени в положение. „Нещото, което може да се движи, са звукови вълни“, каза Нелсън, който говори с Live Science заедно със съавтора Ганг Чен, инженер-механик в MIT.
По-скоро топлинен скок върху фонони или малки пакети звукови вибрации; фононите могат да отскачат и да се разпръснат, носейки топлина, подобна на молекулите на въздуха, направени от чайника.
Странна топлинна вълна
Това не се случи в този нов експеримент.
Предишна теоретична работа на Чен предвиждаше, че топлината може да пътува като вълна, когато се движи през графит или графен. За да проверят това, изследователите на MIT пресякоха два лазерни лъча на повърхността на своя графит, създавайки така наречения интерферентен модел, в който имаше успоредни линии на светлина и без светлина. Това създаде същия модел на нагряти и неотопляеми участъци на графитната повърхност. След това насочиха друг лазерен лъч към настройката, за да видят какво се е случило, след като удари графита.
"Обикновено топлината постепенно ще дифундира от нагретите региони до неотопляемите райони, докато температурата не се отмие", каза Нелсън. "Вместо това топлината течеше от отопляеми към неотопляеми райони и продължаваше да тече дори след като температурата беше изравнена навсякъде, така че неотопляемите райони всъщност бяха по-топли от първоначално нагрятите райони." Междувременно нагрятите региони станаха още по-хладни от неотопляемите райони. И всичко това се случи дишащо бързо - с една и съща скорост, която звукът обикновено пътува в графит.
„Топлината течеше много по-бързо, защото се движеше по вълнообразен начин, без да се разпилява“, казва Нелсън пред Live Science.
Как се получи това странно поведение, което учените наричат "втори звук", да се появи в графит?
"От фундаментална гледна точка това не е просто обикновено поведение. Вторият звук се измерва само в шепа материали, при всяка температура. Всичко, което наблюдаваме, е далеч от обикновените предизвикателства, за да го разберем и обясним", каза Нелсън ,
Ето какво смятат, че става: Графитът, или 3D материал, има слоеста структура, в която тънките въглеродни слоеве едва ли знаят, че другият е там, и така те се държат като графен, който е 2D материал. Поради това, което Нелсън нарича тази "ниска размерност", много по-малко вероятно е фононите, пренасящи топлината в един слой от графита, да отскачат и да се разпръснат от други слоеве. Също така, фононите, които могат да се образуват в графит, имат дължини на вълната, които са предимно прекалено големи, за да се отразяват назад, след като се разбиват в атоми в решетката, явление, известно като обратната разбойница. Тези малки звукови пакети се разпръскват малко, но пътуват предимно в една посока, което означава, че средно те биха могли да изминат голямо разстояние много по-бързо.
Бележка на редактора: Тази статия е актуализирана, за да изясни някои от методите в експеримента и факта, че топлината пътува с приблизително същата скорост, която звукът ще пътува през графит, а не въздух, както беше посочено по-рано.
