Zinātnieki ir redzējuši, ka grafīta iekšpusē notiek kaut kas maģisks - sīkumi, no kuriem izgatavots jūsu zīmuļa vadīts: Karstums pārvietojas viļņos ar skaņas ātrumu.
Tas ir diezgan reti vairāku iemeslu dēļ: karstumam nav paredzēts kustēties kā vilnim - tas parasti izkliedē un atlec no možām molekulām katrā virzienā; Ja siltums var pārvietoties kā vilnis, tas var virzīties vienā virzienā masveidā prom no tā avota, un tas visu laiku pavada enerģiju no objekta. Kādu dienu šo siltuma pārneses izturēšanos grafītā varēja izmantot, lai vienā mirklī atdzesētu mikroelektroniku. Tas ir, ja viņi var panākt, lai tā darbotos pieņemamā temperatūrā (viņi strādāja kaulu atdzesēšanas temperatūrā, kas bija mīnus 240 grādi pēc Fārenheita vai mīnus 151 grādi pēc Celsija).
"Ja dažos materiālos tas nonāk istabas temperatūrā, tad pastāv dažu izredžu iespējas," Live Science stāstīja MIT ķīmiķis pētnieks Keits Nelsons, piebilstot, ka šī ir augstākā temperatūra, kādu kāds ir redzējis, ka šāda rīcība notiek.
Iekāpiet siltuma vilcienā
Pētnieki aprakstīja "normālu" siltuma kustību, izmantojot apsildāmu tējkannu. Pēc degļa izslēgšanas šī siltumenerģija piepūšas gaisa molekulām, kuras savā starpā saduras un procesa laikā izdala siltumu. Šīs molekulas izlec visādos virzienos; dažas no šīm molekulām izkliedējas tieši pie tējkannas. Laika gaitā tējkanna ūdens un apkārtne tajā pašā temperatūrā sasniedz līdzsvaru.
Cietās vielās molekulas nepārvietojas, jo atomi ir nofiksēti savā vietā. "Lieta, kas var pārvietoties, ir skaņas viļņi," sacīja Nelsons, kurš runāja ar Live Science kopā ar līdzautoru Gang Chen, MIT mehānikas inženieri.
Drīzāk karsē apiņus uz fononiem vai nelielām skaņas vibrācijas paciņām; fononi var lielīties un izklīst, pārnesot tādu siltumu kā gaisa molekulām, kas rodas no tējkannas.
Nepāra karstuma vilnis
Tas nav tas, kas notika šajā jaunajā eksperimentā.
Iepriekšējs Čena teorētiskais darbs paredzēja, ka siltums varētu pārvietoties kā vilnis, pārvietojoties caur grafītu vai grafēnu. Lai to pārbaudītu, MIT pētnieki šķērsoja divus lāzera starus uz sava grafīta virsmas, izveidojot tā saucamo traucējumu modeli, kurā bija paralēlas gaismas līnijas un tās nebija. Tādējādi tika izveidots tāds pats apsildāmo un neapsildāmo reģionu paraugs uz grafīta virsmas. Pēc tam viņi mērķēja citu lāzera staru uz iestatījumiem, lai redzētu, kas notika, kad tas ietriecās grafītā.
"Parasti siltums pakāpeniski izkliedēsies no apsildāmiem reģioniem uz neapsildāmiem reģioniem, līdz temperatūras režīms tiks mazgāts," sacīja Nelsons. "Tā vietā siltums plūda no apsildāmiem uz neapsildāmiem reģioniem un turpināja plūst pat pēc tam, kad temperatūra visur bija izlīdzināta, tāpēc neapsildāmie reģioni faktiski bija siltāki nekā sākotnēji karsētie reģioni." Apkurinātie reģioni tikmēr kļuva vēl vēsāki nekā neapsildītie reģioni. Un tas viss notika elpojoši ātri - apmēram ar tādu pašu ātrumu, kāds parasti skan grafīta kustībā.
"Karstums plūda daudz ātrāk, jo tas pārvietojās viļņveidīgi, bez izkliedes," Nelsons stāstīja Live Science.
Kā viņi ieguva šo dīvaino izturēšanos, ko zinātnieki sauc par “otro skaņu”, grafītā?
"Raugoties no pamata viedokļa, tā vienkārši nav parasta uzvedība. Otrā skaņa jebkad ir mērīta tikai ar nedaudziem materiāliem. Jebkurā mūsu novērojamā situācijā tas ir tālu no parastā izaicinājuma, lai mēs to saprastu un izskaidrotu," sacīja Nelsons. .
Lūk, kas, viņuprāt, notiek: Grafītam vai 3D materiālam ir slāņveida struktūra, kurā plānie oglekļa slāņi gandrīz nezina, ka otrs tur atrodas, un tāpēc viņi uzvedas kā grafēns, kas ir divdimensionāls materiāls. Tā kā Nelsons dēvē šo "zemo dimensiju", fononiem, kas nes siltumu vienā grafīta slānī, ir daudz mazāka iespējamība, ka viņi atleksies un izkliedēs citus slāņus. Arī fononiem, kas var veidoties grafītā, ir viļņu garumi, kas lielākoties ir pārāk lieli, lai atspoguļotu atpakaļ pēc sabrukšanas režģa atomos - parādību, kas pazīstama kā aizmugures ķēriens. Šīs mazās skaņas paketes nedaudz izkliedējas, bet galvenokārt pārvietojas vienā virzienā, kas nozīmē, ka vidēji tās varētu lielu attālumu nobraukt daudz ātrāk.
Redaktora piezīme: Šis raksts tika atjaunināts, lai precizētu dažas eksperimenta metodes un faktu, ka siltums pārvietojās apmēram tādā pašā ātrumā, ka skaņa plūst caur grafītu, nevis gaisu, kā tika teikts iepriekš.
