Mokslininkai matė, kad grafito viduje įvyksta kažkas stebuklingo - daiktai, iš kurių pagamintas jūsų pieštukas - šiluma juda bangomis garso greičiu.
Tai gana gražu dėl kelių priežasčių: Šiluma neturėtų judėti kaip banga - ji paprastai išsisklaido ir atsimuša į judančias molekules bet kuria kryptimi; Jei šiluma gali judėti kaip banga, ji gali judėti viena kryptimi masiškai nuo savo šaltinio, tarsi akimirksniu nukreipdama energiją iš objekto. Kažkada ši šilumos perdavimo savybė grafite galėjo būti naudojama akimirksniu aušinant mikroelektroniką. T. y., Jei jiems pavyks pasiekti priimtiną temperatūrą (jie dirbo atšaldydami kaulus, esant minus 240 laipsnių Fahrenheito arba minus 151 laipsnių Celsijaus).
„Jei kai kuriose medžiagose jis atšils iki kambario temperatūros, bus tikimybė, kad jis bus naudojamas“, - „Live Science“ sakė MIT chemikas Keith Nelsonas ir pridūrė, kad tai yra aukščiausia temperatūra, kokią bet kas matė, kad toks elgesys pasireiškia.
Įlipkite į šilumos traukinį
Tyrėjai apibūdino „normalų“ šilumos judėjimą naudojant šildomą virdulį. Išjungus degiklį, ši šilumos energija pritraukia oro molekules, kurios susilieja viena su kita ir proceso metu perduoda šilumą. Šios molekulės šokinėja kiekviena kryptimi; kai kurios iš šių molekulių išsisklaido tiesiai į virdulį. Laikui bėgant, virdulys ir jo aplinka pasiekia pusiausvyrą toje pačioje temperatūroje.
Kietose medžiagose molekulės nejuda, nes atomai yra užfiksuoti. „Dalykas, kuris gali judėti, yra garso bangos“, - sakė Nelsonas, kalbėjęs su „Live Science“ kartu su bendraautoriumi Gang Chenu, MIT mechanikos inžinieriumi.
Geriau apynių ant fononų ar mažų paketų garso virpesių; fononai gali atšokti ir išsibarstyti, nešdami šilumą tarsi oro molekulės iš virdulio.
Keista karščio banga
Ne taip nutiko šiame naujame eksperimente.
Ankstesnis Cheno teorinis darbas numatė, kad šiluma gali judėti kaip banga judant per grafitą ar grafeną. Norėdami tai patikrinti, MIT tyrėjai perbraukė du lazerio pluoštus ant savo grafito paviršiaus, sukurdami tai, kas vadinama trukdžių modeliu, kuriame buvo lygiagrečios šviesos linijos, o šviesos nebuvo. Tai sukūrė tą patį pašildytų ir nešildomų sričių modelį grafito paviršiuje. Tada jie nukreipė kitą lazerio spindulį į sąranką, kad pamatytų, kas nutiko, kai jis atsitrenkė į grafitą.
"Paprastai šiluma palaipsniui išsisklaidytų iš pašildytų regionų į nešildomus regionus, kol temperatūros įtampa nebus nuplaunama", - teigė Nelsonas. "Vietoj to, šiluma tekėjo iš šildomų į nešildomus regionus ir tekėjo tol, kol temperatūra visur buvo išlyginta, taigi nešildomi regionai iš tikrųjų buvo šiltesni nei iš pradžių šildomi regionai." Tuo tarpu šildomi regionai tapo dar vėsesni nei nešildomi regionai. Ir viskas atsitiko kvapą gniaužiant greitai - maždaug tokiu pat greičiu, koks paprastai sklinda grafitas.
„Šiluma tekėjo daug greičiau, nes ji judėjo panašiai į bangas, neišsklaidydama“, - „Live Science“ pasakojo Nelsonas.
Kaip jiems atsirado toks keistas elgesys, kurį mokslininkai vadina „antruoju garsu“, grafite?
"Žvelgiant iš pagrindinės perspektyvos, tai nėra įprastas elgesys. Antrasis garsas bet kada, bet kurioje temperatūroje, buvo matuojamas tik saujelė medžiagų. Bet koks dalykas, kurį stebime, yra ne įprasta, bet ir iššūkis mums jį suprasti ir paaiškinti", - teigė Nelsonas. .
Štai, jų manymu, tai vyksta: Grafitas arba 3D medžiaga turi sluoksniuotą struktūrą, kurioje ploni anglies sluoksniai vargu ar žino, kad ten yra kitas, todėl jie elgiasi kaip grafenas, kuris yra 2D medžiaga. Dėl to, ką Nelsonas vadina šiuo „mažu matmeniu“, fononai, nešantys šilumą viename grafito sluoksnyje, yra daug mažiau linkę šokinėti ir išsklaidyti kitus sluoksnius. Be to, fonite, kuris gali susidaryti grafite, bangos ilgis dažniausiai yra per didelis, kad atspindėtų atgal, kai susitrenkia į grotelių atomus - reiškinį, vadinamą nugaros pliūpsniu. Šie maži garso paketai šiek tiek išsisklaido, tačiau keliauja daugiausia viena kryptimi, tai reiškia, kad vidutiniškai jie gali nukeliauti didelį atstumą daug greičiau.
Redaktoriaus pastaba: Šis straipsnis buvo atnaujintas, kad būtų patikslinti kai kurie eksperimento metodai ir tai, kad šiluma sklinda maždaug tokiu pat greičiu, kad garsas sklinda ne grafitu, o oru, kaip buvo sakyta anksčiau.
