Teadlased on näinud, et grafiidi sees juhtub midagi maagilist - teie pliiatsi juhtmest valmistatud asjad: Kuumus liikus lainetes heli kiirusel.
See on päris radikas paaril põhjusel: Kuumus ei peaks liikuma nagu laine - see hajub ja põrkab tavaliselt värisevaid molekule igas suunas; Kui soojus võib liikuda lainena, võib see liikuda massiliselt lähtest massisuunas, omamoodi energia summutamisel objektist korraga. Mõni päev võiks seda grafiidi soojusülekande käitumist kasutada mikroelektroonika kiireks jahutamiseks. See tähendab, et kui nad saavad selle mõistliku temperatuurini (nad töötasid luude jahutamise temperatuuril miinus 240 kraadi Fahrenheiti või miinus 151 kraadi Celsiuse järgi).
"Kui see mõnes materjalis soojendab toatemperatuurini, siis on mõne rakenduse jaoks väljavaated," rääkis uuringu uurija Keith Nelson, MIT-i keemik Live Science'ile, lisades, et see on kõrgeim temperatuur, mida keegi on sellist käitumist näinud.
Astuge soojuse rongile
Teadlased kirjeldasid "normaalset" soojuse liikumist kuumutatud veekeetja abil. Pärast põleti väljalülitamist saavutab see soojusenergia õhumolekule, mis põrkuvad üksteise külge ja eraldavad protsessi käigus soojust. Need molekulid põrkavad ümber igas suunas; osa neist molekulidest hajub otse veekeetja juurde. Aja jooksul jõuab veekeetja vesi ja ümbrus sama temperatuurini tasakaaluni.
Tahkes olekus molekulid ei liigu, kuna aatomid on oma kohale lukustatud. "Asi, mis võib liikuda, on helilained," ütles Nelson, kes rääkis Live Science'ist koos kaasautori Gang Cheniga, kes on MIT-i mehaanikainsener.
Pigem kuumutage humalaid fononitele või väikestele helivibratsioonipakkidele; foonid võivad põrgata ja hajuda, kandes veekeetjast soojusenergiat nagu õhumolekulid.
Veider kuumalaine
Uues eksperimendis seda ei juhtunud.
Cheni varasem teoreetiline töö ennustas, et grafiidi või grafeeni liikumisel võib kuumus liikuda nagu laine. Selle kontrollimiseks ristasid MIT-i uurijad oma grafiidi pinnale kaks laserkiirt, luues niinimetatud häirete mustri, milles valguse joontel olid paralleelsed jooned ja mitte ühtegi valgust. See lõi grafiidi pinnale sama kuumutatud ja soojendamata piirkondade mustri. Seejärel suunasid nad teise laserkiire seadistusele, et näha, mis juhtus, kui see jõudis grafiidile.
"Tavaliselt hajub kuumus järk-järgult kuumutatud piirkondadest kuumutamata piirkondadesse, kuni temperatuurimudel on ära pesta," ütles Nelson. "Selle asemel voolas soojus kuumutatud piirkondadelt soojendamata piirkondadesse ja voolas edasi ka pärast temperatuuri kõikjal võrdsustamist, nii et kuumutamata piirkonnad olid tegelikult soojemad kui algselt kuumutatud piirkonnad." Kuumutatud piirkonnad muutusid vahepeal isegi jahedamaks kui soojendamata piirkonnad. Ja see kõik juhtus hingavalt kiiresti - umbes sama kiirusega, mis tavaliselt kõlab grafiidis.
"Kuumus voolas palju kiiremini, kuna see liikus lainekujuliselt ilma hajumiseta," rääkis Nelson Live Science'ile.
Kuidas nad selle imeliku käitumise, mida teadlased nimetavad "teiseks heliks", leidsid aset grafiidis?
"Põhimõtteliselt ei ole see lihtsalt tavaline käitumine. Teist heli on kunagi mõõdetud ainult käputäis materjale, ükskõik millise temperatuuri korral. Kõik, mida me jälgime, on tavalisest kaugel, mis kutsub meid seda mõistma ja seletama," sõnas Nelson .
Nende arvates toimub see järgmiselt: grafiidil ehk 3D-materjalil on kihiline struktuur, milles õhukesed süsiniku kihid vaevalt teavad, et teine seal asub, ja seetõttu käituvad nad omamoodi nagu grafeen, mis on 2D-materjal. Sellepärast, mida Nelson nimetab seda "madalaks mõõtmeks", on grafiidi ühes kihis soojust kandvate foonide põrkumine ja hajutamine teiste kihtide suhtes palju väiksem. Samuti on grafiidis moodustuvate footonite lainepikkus enamasti liiga suur, et peegeldada tahapoole pärast võre aatomitesse kukkumist - nähtust, mida tuntakse taganthaardena. Need väikesed helipaketid hajutavad natuke, kuid liiguvad enamasti ühes suunas, mis tähendab, et keskmiselt võiksid nad suure vahemaa läbida palju kiiremini.
Toimetaja märkus: seda artiklit värskendati, et selgitada mõnda katse meetodit ja asjaolu, et kuumus liikus umbes sama kiirusega, mis heli liikus läbi grafiidi, mitte õhu, nagu varem öeldud.
