Znanstvenici su vidjeli da se unutar grafita događa nešto čarobno, od čega su izrađene vaše olovke: Toplina se kretala valovima brzinom zvuka.
To je prilično rad iz nekoliko razloga: Toplina se ne bi trebala kretati poput vala - obično se raspršuje i odbija od gibajućih molekula u svakom smjeru; Ako toplina može putovati kao val, ona se može kretati u jednom smjeru masivno od izvora, nekako usporavajući energiju odjednom. Jednog dana, ovo ponašanje prijenosa topline u grafitu moglo bi se iskoristiti za hlađenje mikroelektronike u trenu. To jest, ako im se omogući da djeluju na razumnoj temperaturi (radili su na temperaturama za hlađenje kostiju od minus 240 stupnjeva Farenhajta, ili minus 151 stupnju Celzijusa).
"Ako se to postigne na sobnoj temperaturi u nekim materijalima, onda bi postojali izgledi za neke primjene", rekao je za Live Science istraživač Keith Nelson, kemičar MIT-a, dodajući da je ovo najviša temperatura koju su svi vidjeli da se takvo ponašanje događa.
Uđite u toplinski vlak
Istraživači su opisali "normalno" kretanje topline pomoću grijanog bojlera - Nakon isključivanja plamenika, ta toplinska energija utječe na vožnju molekulama zraka, koji naleću jedna na drugu i predaju toplinu u tom procesu. Te se molekule odbijaju u svim smjerovima; neke od ovih molekula rasuju se natrag u čajnik. Vremenom, čajnička voda i okolina postižu ravnotežu na istoj temperaturi.
U čvrstim tvarima molekule se ne kreću jer su atomi zaključani. "Stvar koja se može kretati su zvučni valovi", rekao je Nelson, koji je razgovarao s Live Scienceom zajedno s koautoricom Gang Chen, inženjerom strojarstva na MIT-u.
Umjesto toga, zagrijavajte skokove na fonene ili male pakete zvučne vibracije; fononi se mogu odskakati i raspršiti, noseći toplinu poput molekula zraka iz kotlića.
Neobičan toplinski val
To se nije dogodilo u ovom novom eksperimentu.
Prethodni teorijski rad Chen predviđao je da toplina može putovati poput vala pri kretanju kroz grafit ili grafen. Da bi to testirali, istraživači MIT-a prešli su dvije laserske zrake na površini svog grafita, stvarajući takozvani interferencijski uzorak u kojem su bile paralelne crte svjetla i nema svjetla. Ovo je stvorilo isti obrazac grijanih i nezagrijanih regija na površini grafita. Zatim su usmjerili još jedan laserski zrak na postavljanje da vide što se dogodilo nakon što pogodi grafit.
"Obično bi toplina postepeno distribuirala iz zagrijanih područja u nezagrijana područja, sve dok se temperaturni obrazac nije isprao", rekao je Nelson. "Umjesto toga, toplina je tekla iz zagrijanih u nezagrijana područja i nastavila teći čak i nakon što se temperatura svugdje izjednačila, tako da su nezagrijane regije zapravo toplije od izvorno grijanih područja." U međuvremenu, grijana područja postala su još hladnija od nezagrijanih regija. I sve se to događalo zapanjujuće brzo - približno istom brzinom koja zvuči normalno u grafitu.
"Toplina je tekla mnogo brže jer se kretala valovito, bez raspršivanja", rekao je Nelson za Live Science.
Kako su se ta čudna ponašanja, koja znanstvenici nazivaju "drugi zvuk", pojavila u grafitu?
"Iz temeljne perspektive, to nije samo obično ponašanje. Drugi zvuk mjeren je samo u šačici materijala ikad, i na bilo kojoj temperaturi. Bilo što što opazimo daleko je izvan uobičajenog, izaziva nas da ga razumijemo i objasnimo", rekao je Nelson ,
Evo što misle da se događa: Grafit, ili 3D materijal, ima slojevitu strukturu u kojoj tanki ugljeni slojevi jedva znaju da je drugi, i tako se nekako ponašaju kao grafen, koji je 2D materijal. Zbog onoga što Nelson naziva ovom "malom dimenzijom", fononi koji nose toplinu u jednom sloju grafita mnogo su manje vjerojatni da će odbijati i rasipati se po drugim slojevima. Također, fononi koji se mogu oblikovati u grafit imaju valne duljine koje su uglavnom prevelike da bi se odražavale unatrag nakon što se uletio u atome u rešetki, fenomen poznat kao povratna katra. Ti mali zvučni paketi se malo raspršuju, ali putuju uglavnom u jednom smjeru, što znači da bi u prosjeku mogli mnogo brže prijeći veliku udaljenost.
Napomena urednika: Ovaj je članak ažuriran kako bi se razjasnile neke metode eksperimenta i činjenica da je toplina putovala približno istom brzinom kojom bi zvuk putovao kroz grafit, a ne kroz zrak, kao što je ranije navedeno.
