Wetenschappers hebben iets magisch zien gebeuren in grafiet, het materiaal waar je potloodstift van is gemaakt: warmte bewoog zich in golven met de snelheid van geluid.
Dat is om een paar redenen behoorlijk rad: warmte mag niet bewegen als een golf - het verspreidt zich gewoonlijk en stuitert op en neer van schudde moleculen in elke richting; Als warmte als een golf kan reizen, kan het massaal in één richting van de bron weg bewegen, een soort energie die tegelijk van een object wordt gezapt. Op een dag zou dit warmteoverdrachtsgedrag in grafiet in een handomdraai kunnen worden gebruikt om micro-elektronica af te koelen. Dat wil zeggen, als ze het op een redelijke temperatuur kunnen laten werken (ze werkten bij huiveringwekkende temperaturen van min 240 graden Fahrenheit of min 151 graden Celsius).
"Als het in sommige materialen op kamertemperatuur komt, dan zijn er vooruitzichten voor sommige toepassingen," vertelde onderzoeker Keith Nelson, een MIT-chemicus, aan WordsSideKick.com, eraan toevoegend dat dit de hoogste temperatuur is die iemand dit gedrag heeft zien optreden.
Stap in de hittetrein
De onderzoekers beschreven "normale" warmtebewegingen met behulp van een verwarmde ketel. Na het uitzetten van de brander lift die warmte-energie mee op luchtmoleculen, die tegen elkaar botsen en daarbij warmte afgeven. Deze moleculen stuiteren in alle richtingen rond; sommige van deze moleculen verspreiden zich terug naar de ketel. Na verloop van tijd bereiken het ketelwater en de omgeving een evenwicht bij dezelfde temperatuur.
In vaste stoffen bewegen moleculen niet omdat de atomen op hun plaats zijn vergrendeld. 'Het ding dat kan bewegen, zijn geluidsgolven', zei Nelson, die sprak met WordsSideKick.com samen met co-auteur Gang Chen, een mechanisch ingenieur bij MIT.
Verwarm liever hops op fononen, of kleine pakketjes geluidstrilling; de fononen kunnen stuiteren en verspreiden, en dragen warmte zoals luchtmoleculen uit de ketel doen.
Een vreemde hittegolf
Dat is niet wat er is gebeurd in dit nieuwe experiment.
Eerder theoretisch werk van Chen voorspelde dat warmte als een golf zou kunnen reizen als het door grafiet of grafeen beweegt. Om dit uit te testen, kruisten de MIT-onderzoekers twee laserstralen op het oppervlak van hun grafiet, waardoor een zogenaamd interferentiepatroon ontstond waarin parallelle lichtlijnen waren en geen licht. Hierdoor ontstond hetzelfde patroon van verwarmde en onverwarmde gebieden op het grafietoppervlak. Vervolgens richtten ze een andere laserstraal op de opstelling om te zien wat er gebeurde zodra het het grafiet raakte.
'Normaal gesproken diffundeert de warmte geleidelijk van de verwarmde gebieden naar de onverwarmde gebieden, totdat het temperatuurpatroon wegspoelt', zei Nelson. "In plaats daarvan stroomde de warmte van verwarmde naar onverwarmde gebieden en bleef stromen, zelfs nadat de temperatuur overal gelijk was gemaakt, dus de onverwarmde gebieden waren eigenlijk warmer dan de oorspronkelijk verwarmde gebieden." De verwarmde gebieden werden ondertussen nog koeler dan de onverwarmde gebieden. En het gebeurde allemaal adembenemend snel - met ongeveer dezelfde snelheid die geluid normaal gesproken in grafiet reist.
"Warmte stroomde veel sneller omdat het golfachtig bewoog zonder te verspreiden", vertelde Nelson aan WordsSideKick.com.
Hoe hebben ze dit rare gedrag, dat de wetenschappers 'tweede geluid' noemen, in grafiet laten voorkomen?
"Vanuit een fundamenteel perspectief is dit gewoon geen gewoon gedrag. Tweede geluid is alleen gemeten in een handvol materialen ooit, bij elke temperatuur. Alles wat we waarnemen dat ver van de gewone weg is, daagt ons uit om het te begrijpen en uit te leggen," zei Nelson .
Dit is wat ze denken dat er aan de hand is: grafiet, of een 3D-materiaal, heeft een gelaagde structuur waarin de dunne koolstoflagen nauwelijks weten dat de andere er is, en dus gedragen ze zich als grafeen, wat een 2D-materiaal is. Vanwege wat Nelson deze 'lage dimensionaliteit' noemt, is het veel minder waarschijnlijk dat de fononen die de warmte in één laag van het grafiet dragen, rondstuiteren en andere lagen verspreiden. De fononen die zich in grafiet kunnen vormen, hebben ook golflengten die meestal te groot zijn om achteruit te reflecteren nadat ze in atomen in het rooster zijn neergestort, een fenomeen dat bekend staat als terugverstrooiing. Deze kleine geluidspakketten verspreiden zich een beetje, maar reizen meestal in één richting, wat betekent dat ze gemiddeld veel sneller een grote afstand kunnen afleggen.
Noot van de redacteur: dit artikel is bijgewerkt om enkele van de methoden in het experiment te verduidelijken en het feit dat de hitte met ongeveer dezelfde snelheid reisde als het geluid door grafiet zou reizen, niet door lucht, zoals eerder vermeld.
