Οι επιστήμονες έχουν δει κάτι μαγικό που συμβαίνει μέσα στον γραφίτη, τα πράγματα που δημιουργεί το μολύβι σας: Η θερμότητα κινείται σε κύματα με την ταχύτητα του ήχου.
Αυτό είναι αρκετά ραγκ για μερικούς λόγους: Η θερμότητα δεν υποτίθεται ότι κινείται σαν ένα κύμα - συνήθως διαχέεται και αναπηδά από jiggling μόρια προς κάθε κατεύθυνση? Εάν η θερμότητα μπορεί να ταξιδέψει ως κύμα, μπορεί να κινηθεί προς μια κατεύθυνση μαζικά μακριά από την πηγή της, κάνοντας το είδος της ανάμιξης ενέργειας ταυτόχρονα από ένα αντικείμενο. Κάποια μέρα, αυτή η συμπεριφορά μεταφοράς θερμότητας στον γραφίτη θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να κρυώσει η μικροηλεκτρονική σε ένα κουτάβι. Δηλαδή, αν μπορούν να το βάλουν σε λειτουργία σε λογική θερμοκρασία (εργάζονταν σε θερμοκρασία ψύξης των οστών μείον 240 βαθμούς Φαρενάιτ ή μείον 151 βαθμούς Κελσίου).
"Αν το κάνει σε θερμοκρασία δωματίου σε κάποια υλικά, τότε θα υπάρχουν προοπτικές για κάποιες εφαρμογές", δήλωσε ο Keith Nelson, χημικός του MIT, στο Live Science, προσθέτοντας ότι αυτή είναι η υψηλότερη θερμοκρασία που έχει δει ο καθένας.
Πάρτε το θερμικό τρένο
Οι ερευνητές περιέγραψαν τη "φυσιολογική" κίνηση θερμότητας χρησιμοποιώντας έναν θερμαινόμενο βραστήρα. - Αφού απενεργοποιήσατε τον καυστήρα, αυτή η θερμότητα τροφοδοτεί μια κίνηση στα μόρια του αέρα, τα οποία χτυπάνε το ένα το άλλο και αποδίδουν θερμότητα στη διαδικασία. Αυτά τα μόρια αναπηδούν προς κάθε κατεύθυνση. Μερικά από αυτά τα μόρια διασκορπίζονται ακριβώς πίσω στο βραστήρα. Με τον καιρό, το νερό του βραστήρα και το περιβάλλον φτάνουν στην ισορροπία στην ίδια θερμοκρασία.
Στα στερεά, τα μόρια δεν κινούνται επειδή τα άτομα είναι κλειδωμένα στη θέση τους. "Το πράγμα που μπορεί να κινηθεί είναι ηχητικά κύματα", δήλωσε ο Nelson, ο οποίος μίλησε με τη Live Science μαζί με τον συντάκτη Gang Chen, μηχανικό μηχανικό στο MIT.
Αντίθετα, ζεσταίνει το λυκίσκο στα φωνόνια, ή μικρά πακέτα ηχητικών κραδασμών. τα φωνόνια μπορούν να αναπηδήσουν και να διασκορπιστούν, μεταφέροντας θερμότητα όπως τα μόρια του αέρα κάνουν από τον βραστήρα.
Ένα περίεργο κύμα καύσωνα
Αυτό δεν συνέβη σε αυτό το νέο πείραμα.
Η προηγούμενη θεωρητική εργασία του Τσεν προέβλεψε ότι η θερμότητα μπορεί να ταξιδεύει σαν κύμα όταν μετακινείται μέσω γραφίτη ή γραφένιο. Για να το δοκιμάσουν, οι ερευνητές του MIT πέρασαν δύο δέσμες λέιζερ στην επιφάνεια του γραφίτη τους, δημιουργώντας αυτό που ονομάζεται πρότυπο παρεμβολής στο οποίο υπήρχαν παράλληλες γραμμές φωτός και δεν υπήρχε φως. Αυτό δημιούργησε το ίδιο μοτίβο θερμαινόμενων και μη θερμανθέντων περιοχών στην επιφάνεια του γραφίτη. Στη συνέχεια, στόχευαν μια άλλη ακτίνα λέιζερ στο setup για να δουν τι συνέβη όταν χτύπησε το γραφίτη.
"Κανονικά, η θερμότητα θα διαχέεται σταδιακά από τις θερμαινόμενες περιοχές στις μη θερμαινόμενες περιοχές, μέχρις ότου το πρότυπο θερμοκρασίας ξεπλυθεί", είπε ο Νέλσον. "Αντ 'αυτού, η θερμότητα ρέει από τις θερμαινόμενες έως τις μη θερμές περιοχές και συνεχίζει να ρέει ακόμα και μετά την εξίσωση της θερμοκρασίας παντού, έτσι ώστε οι μη θερμαινόμενες περιοχές να είναι στην πραγματικότητα θερμότερες από τις αρχικά θερμαινόμενες περιοχές". Οι θερμαινόμενες περιοχές, εν τω μεταξύ, έγιναν ακόμη πιο δροσερές από τις μη θερμαινόμενες περιοχές. Και όλα έγιναν αναπνευστικά γρήγορα - με την ίδια ταχύτητα που ο ήχος κανονικά ταξιδεύει στον γραφίτη.
"Η θερμότητα ρέει πολύ πιο γρήγορα επειδή κινείται με τρόπο που μοιάζει με κύμα χωρίς διασκορπισμό", δήλωσε ο Nelson στο Live Science.
Πώς έκαναν αυτή την παράξενη συμπεριφορά, την οποία οι επιστήμονες αποκαλούν "δεύτερο ήχο", που συμβαίνουν στον γραφίτη;
"Από μια θεμελιώδη προοπτική, αυτή είναι απλώς η συνηθισμένη συμπεριφορά.Ο δεύτερος ήχος έχει μετρηθεί μόνο σε μια χούφτα υλικών πάντα, σε οποιαδήποτε θερμοκρασία.Οτιδήποτε παρατηρούμε ότι είναι μακρυά από το συνηθισμένο μας προκαλεί να το καταλάβουμε και να το εξηγήσουμε", δήλωσε ο Νέλσον .
Εδώ είναι αυτό που πιστεύουν ότι συμβαίνει: Ο γραφίτης ή ένα υλικό 3D έχει μια πολυεπίπεδη δομή στην οποία οι λεπτές στοιβάδες άνθρακα δεν γνωρίζουν ότι το άλλο είναι εκεί και έτσι συμπεριφέρονται όπως το graphene, το οποίο είναι ένα 2D υλικό. Εξαιτίας αυτού που ο Nelson ονομάζει αυτή τη "μικρή διάσταση", τα φωνόνια που μεταφέρουν τη θερμότητα σε ένα στρώμα του γραφίτη είναι πολύ λιγότερο πιθανό να αναπηδήσουν και να σπάσουν άλλα στρώματα. Επίσης, τα φωνόνια που μπορούν να σχηματίσουν σε γραφίτη έχουν μήκη κύματος που είναι συνήθως πολύ μεγάλα ώστε να αντανακλούν προς τα πίσω μετά από συντριβή σε άτομα στο πλέγμα, ένα φαινόμενο γνωστό ως backscatter. Αυτά τα μικρά πακέτα ήχου διασκορπίζονται λίγο, αλλά ταξιδεύουν ως επί το πλείστον προς μία κατεύθυνση, πράγμα που σημαίνει ότι κατά μέσο όρο θα μπορούσαν να ταξιδεύουν σε μεγάλη απόσταση πολύ πιο γρήγορα.
Σημείωση του συντάκτη: Το άρθρο αυτό ενημερώθηκε για να διευκρινίσει μερικές από τις μεθόδους του πειράματος και το γεγονός ότι η θερμότητα διανύθηκε περίπου με την ίδια ταχύτητα που ο ήχος θα έμενε μέσω γραφίτη, όχι αέρα, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως.
