Έρευνα

Αδύνατο σενάριο: οι επιστήμονες παρατήρησαν την κίνηση της θερμότητας με την ταχύτητα του ήχου

Ο Ράιαν Ντάνκαν πάγωσε. Είχε πραγματοποιήσει ένα νέο πείραμα στη μελέτη του συνηθισμένου γραφίτη - το ίδιο, το μολύβι του μολυβιού - αλλά τα αποτελέσματα φαίνονταν φυσικά αδύνατον: η θερμότητα, η οποία συνήθως διαχέεται σιγά-σιγά, πέρασε από γραφίτη με την ταχύτητα του ήχου. Είναι σαν να βάλει μια κατσαρόλα με νερό σε ένα ζεστό πιάτο και αντί να μετράει τις μεγάλες λεπτά, έως ότου το νερό αρχίσει να βράζει, να παρακολουθήσετε καθώς αρχίζει αμέσως να βράζει.

Πόσο γρήγορα εξαπλώνεται η θερμότητα;

Δεν είναι περίεργο ο Duncan, ένας μεταπτυχιακός φοιτητήςMassachusetts Institute of Technology, δεν μπορούσα να πιστέψω στα μάτια μου. Για να βεβαιωθείτε ότι δεν ήταν λάθος, έπρεπε να ελέγξω όλα όσα ήταν στην εγκατάσταση, να τρέξω πάλι το πείραμα και να κάνω καλό διάλειμμα. "Προσπάθησα να κοιμηθώ, γνωρίζοντας ότι δεν μπορούσα να κάνω αν το πείραμα ήταν επιτυχές ή όχι, για μερικές ακόμη ώρες, αλλά ήταν πολύ δύσκολο να αποσυνδεθεί", θυμάται. Όταν το επόμενο πρωί το ξυπνητήρι του Duncan χτύπησε, έτρεξε κατευθείαν στον υπολογιστή του με την πυτζάμα του και κοίταξε τις νέες μετρήσεις. Τα αποτελέσματα ήταν τα ίδια: η θερμότητα κινήθηκε απίστευτα γρήγορα.

Τα αποτελέσματα της δουλειάς του Duncan δημοσιεύθηκαν στοΕπιστημονικό περιοδικό. Αυτό το φαινόμενο, γνωστό ως ο "δεύτερος ήχος", αποπνέει φυσικούς - εν μέρει επειδή μπορεί να ανοίξει το δρόμο για την προηγμένη μικροηλεκτρονική και εν μέρει επειδή είναι ένα πολύ περίεργο φαινόμενο.

Για να καταλάβετε, φανταστείτε πόσο ζεστόκινείται μέσα στον αέρα. Μεταφέρεται από μόρια που συγκρούονται συνεχώς μεταξύ τους και διαχέουν τη θερμότητα προς όλες τις κατευθύνσεις: προς τα εμπρός, προς τα πλάγια και ακόμη προς τα πίσω. Αυτή η θεμελιώδης αναποτελεσματικότητα καθιστά τη αγωγιμότητα της θερμότητας σχετικά αργή (η ακτινοβολούμενη θερμότητα συγκρίνεται με την ταχύτητα του φωτός υπό μορφή υπέρυθρης ακτινοβολίας). Η ίδια βραδύτητα διατηρείται για τη θερμότητα που κινείται μέσα από ένα στερεό. Εδώ, τα φωνόνια (ακουστικά πακέτα ενέργειας δόνησης) μεταφέρουν θερμότητα σαν μόρια στον αέρα, επιτρέποντάς του να διαχέεται προς όλες τις κατευθύνσεις και αργά να αποσυντίθεται. "Είναι λίγο σαν να βάζουμε μια σταγόνα χρωματισμού τροφίμων στο νερό και να αφήσουμε να εξαπλωθεί", λέει η Kate Nelson, σύμβουλος του Duncan στο MIT. "Δεν κινείται σε ευθεία γραμμή, όπως ένα βέλος, από το σημείο κρούσης." Αλλά αυτό είναι ακριβώς το αποτέλεσμα που έλαβε ο Duncan από το πείραμα. Στον δεύτερο ήχο, η αντίστροφη διασπορά φωνοειδούς καταστέλλεται έντονα, με αποτέλεσμα η θερμότητα να πυροδοτείται προς τα εμπρός. Κίνηση κυμάτων. "Εάν είστε στην πισίνα και ξεκινήσετε ένα κύμα από τον εαυτό σας, θα σας αφήσει. Αλλά για τη θερμότητα, αυτό είναι ανώμαλη συμπεριφορά. "

Ο δεύτερος ήχος ανιχνεύθηκε αρχικά σε υγρό ήλιο.Πριν 75 χρόνια και αργότερα σε τρία στερεά. "Όλα τα σημάδια έδειξαν ότι θα περιορίζονταν σε μια μικρή ποσότητα υλικών και θα εκδηλώνονταν σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες". Οι επιστήμονες πίστευαν ότι ήταν αδιέξοδο. Δεν ήταν σαφές ποιος θα μπορούσε να είναι ο δεύτερος ήχος εκτός από τις επιστημονικές δηλώσεις, έτσι ώστε εδώ και πολλά χρόνια ο χώρος αυτός δεν ήταν ειδικός.

Ωστόσο, σημαντικές βελτιώσεις στο αριθμητικόΗ μοντελοποίηση βοήθησε να αναβιώσει αυτή την περιοχή πριν από περίπου πέντε χρόνια και οι επιστήμονες αναγνώρισαν ότι αυτό το φαινόμενο μπορεί να είναι πιο κοινό. Ο γκάνγκ Τσεν, μηχανικός στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης, για παράδειγμα, ήταν σε θέση να προβλέψει ότι ένας δεύτερος ήχος θα μπορούσε να εμφανιστεί στον γραφίτη σε σχετικά ήπιες θερμοκρασίες. Αυτή η πρόβλεψη φόρεσε τον Duncan, ο οποίος τον έλεγξε και τελικά έφτασε σε συγκρουόμενα αποτελέσματα.

Αρχικά, ο Duncan αφαιρούσε τη θερμότητα στο δείγμα.γραφίτη, χρησιμοποιώντας δύο διασταυρωμένες δοκοί λέιζερ για να δημιουργήσουν ένα πρότυπο παρεμβολής - εναλλασσόμενες φωτεινές και σκοτεινές περιοχές που αντιστοιχούν στις κορυφές και τις κοιλότητες των αντίθετων φωτεινών κυμάτων. Αρχικά, οι χτένες θερμαίνονταν το γραφίτη και οι κοιλότητες παρέμειναν δροσερές. Αλλά μόλις ο Duncan έπρεπε να απενεργοποιήσει τα λέιζερ, η εικόνα έπρεπε να αρχίσει να αλλάζει αργά και η θερμότητα έπρεπε να ρέει από τις καυτές κορυφές μέχρι τις ψυχρές κοιλότητες. Το πείραμα θα φτάσει στο τέλος του όταν το σύνολο του δείγματος φθάσει σε ομοιόμορφη θερμοκρασία. Τουλάχιστον αυτό συμβαίνει συνήθως. Αλλά όταν τα λέιζερ σταμάτησαν να λάμπουν, ο γραφίτης είχε άλλα σχέδια: η θερμότητα συνέχιζε να ρέει μέχρις ότου οι καυτές ράχες έγιναν πιο κρύες από τις κοιλότητες. Ήταν σαν να είχε παγώσει η εστία τη στιγμή που την απενεργοποιήσατε και δεν πήγες σταδιακά σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. «Είναι παράξενο - η θερμότητα δεν πρέπει να το κάνει αυτό».

Και σίγουρα δεν πρέπει να το κάνει τόσο ψηλάθερμοκρασίες. Επίσης, το πείραμα Duncan μας επέτρεψε να καθορίσουμε ένα υψηλό όριο θερμοκρασίας στο οποίο εκδηλώνεται ο δεύτερος ήχος: περίπου 120 Kelvin - περισσότερο από 10 φορές υψηλότερο από ότι κατά τις προηγούμενες μετρήσεις.

Ποιες πρακτικές εφαρμογές είναι τέτοια αποτελέσματαθα το βρείτε στο μέλλον; Πρώτον, οι χειρισμοί θερμοκρασίας, παρά η κρυογονική ψύξη, είναι πιο πρακτικοί. Δεύτερον, ο γραφίτης είναι πολύ συνηθισμένο υλικό. Αυτές οι δύο ιδιότητες θα βοηθήσουν τους μηχανικούς να ξεπεράσουν το οξύ πρόβλημα της διαχείρισης της θερμότητας στη μικροηλεκτρονική. Φανταστείτε ότι η θερμότητα θα διαχέεται με την ταχύτητα του ήχου, επιτρέποντας στα υλικά και τις συσκευές να κρυώσουν πολύ πιο γρήγορα.

Συζητήστε την ανακάλυψη μπορεί να είναι στο chat μας στο Telegram.