Вчені побачили, що всередині графіту відбувається щось магічне, речі, з яких виготовлений ваш олівець: Тепло рухається хвилями зі швидкістю звуку.
Це досить радісно з кількох причин: тепло не повинно рухатись як хвиля - воно зазвичай розсіюється і відскакує від молекул, що рухаються в будь-який бік; Якщо тепло може подорожувати хвилею, воно може рухатись в одному напрямку від свого джерела, ніби забираючи енергію відразу від об'єкта. Якось така поведінка теплопередачі у графіті може бути використана для швидкого охолодження мікроелектроніки. Тобто, якщо вони зможуть змусити його працювати при розумній температурі (вони працювали при температурі остудження кісток - мінус 240 градусів Фаренгейта, або мінус 151 градус Цельсія).
"Якщо в деяких матеріалах це може впливати на кімнатну температуру, то для деяких застосувань існують перспективи", - розповів Live Science дослідник Кейт Нельсон, хімік MIT, додавши, що це найвища температура, у кого хто бачив, як така поведінка спостерігається.
Сідайте на тепловий потяг
Дослідники описали «нормальний» рух тепла за допомогою нагрітого чайника - після вимкнення пальника ця теплова енергія спричиняє рух молекул повітря, які натикаються одна на одну і передають тепло в процесі. Ці молекули відскакують у будь-якому напрямку; деякі з цих молекул розкидаються прямо до чайника. З часом вода чайника та навколишнє середовище досягають рівноваги при однаковій температурі.
У твердих тілах молекули не рухаються, оскільки атоми заблоковані у своєму положенні. "Те, що може рухатися, - це звукові хвилі", - сказав Нельсон, який розмовляв з Live Science разом із співавтором Ган Чен, інженером-механіком MIT.
Скоріше, нагрівайте скачки на фонони чи маленькі пакети звукової вібрації; фонони можуть підстрибувати і розсіюватися, несучи тепло, подібне молекулам повітря, зробленим з чайника.
Дивна теплова хвиля
Це не те, що сталося в цьому новому експерименті.
Попередня теоретична робота Чена передбачала, що тепло може рухатись як хвиля, коли рухається через графіт або графен. Щоб перевірити це, дослідники MIT перетнули два лазерні промені на поверхні їх графіту, створивши так звану інтерференційну картину, в якій були паралельні лінії світла і немає світла. Це створило той самий малюнок нагрітих та неопалюваних областей на графітовій поверхні. Потім вони націлили інший лазерний промінь на налаштування, щоб побачити, що сталося, як тільки він потрапив на графіт.
"Зазвичай, тепло поступово буде дифундувати від нагрітих областей до неопалюваних регіонів, поки температурний режим не змивається", - сказав Нельсон. "Натомість тепло потекло з нагрітих до неопалюваних регіонів і продовжувало текти навіть після того, як температура всюди вирівнювалася, тому неопалювані регіони були фактично теплішими, ніж спочатку нагріті регіони". Тим часом нагріті регіони стали ще прохолоднішими, ніж неопалювані. І все це відбувалося дихаючи швидко - приблизно з тією ж швидкістю, що звук, як правило, рухається в графіті.
"Тепло текла набагато швидше, оскільки воно рухалося хвилеподібно, не розсіюючись", - сказав Нельсон Live Science.
Як вони отримали цю дивну поведінку, яку вчені називають "другим звуком", виникати в графіті?
"З фундаментальної точки зору, це просто не звичайна поведінка. Другий звук вимірюється лише кількома матеріалами коли-небудь, при будь-якій температурі. Все, що ми спостерігаємо, це далеко поза звичайними проблемами, щоб зрозуміти і пояснити це", - сказав Нельсон .
Ось що вони думають: Графіт, або 3D-матеріал, має шарувату структуру, в якій тонкі вуглецеві шари навряд чи знають, що інша є, і тому вони наче поводяться як графен, який є двовимірним матеріалом. Через те, що Нельсон називає це "низькою розмірністю", фонони, що несуть тепло в одному шарі графіту, набагато рідше відскакують і розсипаються по інших шарах. Також фонони, які можуть утворюватися у графіті, мають довжину хвиль, яка в основному є занадто великою, щоб відобразити назад після врізання в атоми решітки, явище, відоме як зворотний розбір. Ці маленькі звукові пакети трохи розсіюються, але переважно подорожують в одному напрямку, тобто в середньому вони можуть проїхати велику відстань набагато швидше.
Примітка редактора: Ця стаття була оновлена для уточнення деяких методів експерименту та того факту, що тепло проходило приблизно з тією ж швидкістю, що і звук, мав би рухатися через графіт, а не повітря, як було зазначено раніше.
