Vedci videli, ako sa vo vnútri grafitu odohráva niečo magické, veci, z ktorých je vyrobený ceruzkový olovo: Teplo sa pohybovalo vo vlnách rýchlosťou zvuku.
To je celkom rád z niekoľkých dôvodov: Teplo by sa nemalo pohybovať ako vlna - zvyčajne rozptyľuje a odráža molekuly, ktoré sa pohybujú vo všetkých smeroch; Ak sa teplo môže pohybovať ako vlna, môže sa hromadne pohybovať v jednom smere od svojho zdroja, akýmkoľvek spôsobom prepínať energiu naraz od objektu. Jedného dňa sa toto správanie pri prenose tepla v grafite mohlo rýchlo použiť na ochladenie mikroelektroniky. To znamená, že ak sa im podarí dosiahnuť primeranú teplotu (pracovali pri teplotách ochladzovania kostí mínus 240 stupňov Fahrenheita alebo mínus 151 stupňov Celzia).
„Keby to v niektorých materiáloch viedlo k izbovej teplote, potom by existovali nejaké vyhliadky na niektoré aplikácie,“ uviedla vedecká štúdia Keith Nelson, chemička MIT, pre agentúru Live Science.
Nastúpte na teplý vlak
Vedci opísali „normálny“ pohyb tepla pomocou vyhrievanej kanvice - Po vypnutí horáka táto tepelná energia zasiahne jazdu na molekulách vzduchu, ktoré sa do seba narazia a odovzdajú teplo. Tieto molekuly sa odrazia vo všetkých smeroch; niektoré z týchto molekúl sa rozptýlia priamo do kanvice. Voda kanvice a okolie v priebehu času dosahujú rovnováhu pri rovnakej teplote.
V pevných látkach sa molekuly nepohybujú, pretože atómy sú zablokované. „To, čo sa môže pohybovať, sú zvukové vlny,“ povedal Nelson, ktorý hovoril so spoločnosťou Live Science spolu so spoluautorom Gang Chenom, mechanickým inžinierom na MIT.
Skôr chmeľ na fonóny alebo malé balíčky zvukových vibrácií; fonóny sa môžu odraziť a rozptyľovať a prenášať teplo, aké molekuly vzduchu robia z kanvice.
Zvláštna vlna horúčav
To sa nestalo v tomto novom experimente.
Predchádzajúca teoretická práca Chena predpovedala, že teplo sa môže pohybovať ako vlna pri pohybe grafitom alebo grafénom. Na vyskúšanie prešli výskumníci MIT na povrchu svojho grafitu dva laserové lúče a vytvorili takzvaný interferenčný vzor, v ktorom boli rovnobežné čiary svetla a žiadne svetlo. Toto vytvorilo rovnaký vzor zahrievaných a nevyhrievaných oblastí na grafitovom povrchu. Potom namierili ďalší laserový lúč na zariadenie, aby videli, čo sa stalo, keď zasiahlo grafit.
„Normálne by sa teplo postupne šírilo z zahrievaných oblastí do nevyhrievaných oblastí, až kým sa nevymýva teplotný obrazec,“ povedal Nelson. „Namiesto toho teplo prúdilo z vyhrievaných do nevyhrievaných oblastí a nepretržite tieklo, aj keď bola teplota všade vyrovnaná, takže nevyhrievané oblasti boli v skutočnosti teplejšie ako pôvodne vyhrievané oblasti.“ Vyhrievané oblasti boli medzitým ešte chladnejšie ako nevyhrievané oblasti. A všetko sa udialo úchvatne rýchlo - približne rovnakou rýchlosťou, akú zvuk normálne putuje v grafite.
„Teplo prúdilo oveľa rýchlejšie, pretože sa pohybovalo vlnovým spôsobom bez rozptylu,“ povedal Nelson pre Live Science.
Ako sa dostali k tomu divnému správaniu, ktoré vedci nazývajú „druhý zvuk“, ku ktorému došlo v grafite?
"Z fundamentálneho hľadiska to nie je obyčajné správanie. Druhý zvuk sa meral iba v hŕstke materiálov, kedykoľvek a pri akejkoľvek teplote. Čokoľvek pozorujeme, to je ďaleko od bežných výziev, aby sme mu porozumeli a vysvetlili ho," povedal Nelson. ,
Tu si myslia, že sa to deje: Grafit alebo trojrozmerný materiál má vrstvenú štruktúru, v ktorej tenké uhlíkové vrstvy sotva vedia, že je tam druhý, a tak sa správajú ako grafén, ktorý je 2D materiálom. Kvôli tomu, čo Nelson nazýva táto „nízka rozmernosť“, je pravdepodobnejšie, že fonóny prenášajúce teplo v jednej vrstve grafitu sa odrazia a rozptýlia po ďalších vrstvách. Fonóny, ktoré sa môžu tvoriť v grafite, majú tiež vlnové dĺžky, ktoré sú zväčša príliš veľké na to, aby sa odrazili dozadu po zrážke s atómami v mriežke, čo je jav známy ako spätný rozptyl. Tieto malé zvukové pakety sa trochu rozptyľujú, ale cestujú väčšinou jedným smerom, čo znamená, že v priemere by mohli cestovať oveľa väčšiu vzdialenosť oveľa rýchlejšie.
Poznámka redaktora: Tento článok bol aktualizovaný, aby objasnil niektoré metódy v experimente a skutočnosť, že teplo cestovalo približne rovnakou rýchlosťou, akú by zvuk prechádzal grafitom, nie vzduchom, ako už bolo uvedené.
