Wissenschaftler haben gesehen, wie in Graphit etwas Magisches passiert, aus dem Ihre Bleistiftmine besteht: Wärme, die sich in Wellen mit Schallgeschwindigkeit bewegt.
Das ist aus mehreren Gründen ziemlich radikal: Wärme soll sich nicht wie eine Welle bewegen - sie diffundiert normalerweise und prallt von wackelnden Molekülen in alle Richtungen ab; Wenn sich Wärme als Welle ausbreiten kann, kann sie sich massenhaft von ihrer Quelle weg in eine Richtung bewegen und so gleichzeitig Energie von einem Objekt zappen. Eines Tages könnte dieses Wärmeübertragungsverhalten in Graphit genutzt werden, um die Mikroelektronik im Handumdrehen abzukühlen. Das heißt, wenn sie es schaffen, eine vernünftige Temperatur zu erreichen (sie arbeiteten bei knochenfrohen Temperaturen von minus 240 Grad Fahrenheit oder minus 151 Grad Celsius).
"Wenn es in einigen Materialien auf Raumtemperatur kommt, gibt es Aussichten für einige Anwendungen", sagte der MIT-Chemiker Keith Nelson gegenüber Live Science und fügte hinzu, dass dies die höchste Temperatur ist, bei der dieses Verhalten jemals aufgetreten ist.
Steig in den Wärmezug
Die Forscher beschrieben eine "normale" Wärmebewegung mit einem beheizten Wasserkocher. Nach dem Ausschalten des Brenners stört diese Wärmeenergie Luftmoleküle, die ineinander stoßen und dabei Wärme abgeben. Diese Moleküle springen in alle Richtungen herum; Einige dieser Moleküle streuen direkt zurück in den Kessel. Mit der Zeit erreichen das Kesselwasser und die Umgebung bei gleicher Temperatur ein Gleichgewicht.
In Festkörpern bewegen sich Moleküle nicht, weil die Atome in Position gehalten werden. "Das, was sich bewegen kann, sind Schallwellen", sagte Nelson, der mit Live Science zusammen mit dem Co-Autor Gang Chen, einem Maschinenbauingenieur am MIT, sprach.
Wärme springt vielmehr auf Phononen oder kleine Pakete von Schallschwingungen; Die Phononen können abprallen und sich zerstreuen und Wärme wie Luftmoleküle aus dem Kessel transportieren.
Eine seltsame Hitzewelle
Das ist in diesem neuen Experiment nicht passiert.
Frühere theoretische Arbeiten von Chen sagten voraus, dass sich Wärme wie eine Welle bewegen könnte, wenn sie sich durch Graphit oder Graphen bewegt. Um dies zu testen, kreuzten die MIT-Forscher zwei Laserstrahlen auf der Oberfläche ihres Graphits und erzeugten ein sogenanntes Interferenzmuster, in dem parallele Lichtlinien und kein Licht vorhanden waren. Dies erzeugte das gleiche Muster von erhitzten und nicht erhitzten Bereichen an der Graphitoberfläche. Dann richteten sie einen weiteren Laserstrahl auf das Setup, um zu sehen, was passiert ist, wenn es auf den Graphit trifft.
"Normalerweise diffundiert die Wärme allmählich von den erhitzten Bereichen in die nicht erhitzten Bereiche, bis das Temperaturmuster weggespült wird", sagte Nelson. "Stattdessen floss die Wärme von erhitzten in nicht beheizte Bereiche und floss weiter, selbst nachdem die Temperatur überall ausgeglichen worden war, sodass die nicht erhitzten Bereiche tatsächlich wärmer waren als die ursprünglich beheizten Bereiche." Die beheizten Regionen wurden unterdessen noch kühler als die unbeheizten Regionen. Und alles ging atemberaubend schnell - mit ungefähr der Geschwindigkeit, mit der sich der Schall normalerweise in Graphit bewegt.
"Die Wärme floss viel schneller, weil sie sich wellenförmig bewegte, ohne zu streuen", sagte Nelson gegenüber Live Science.
Wie haben sie dieses seltsame Verhalten, das die Wissenschaftler "zweiten Ton" nennen, dazu gebracht, in Graphit aufzutreten?
"Aus einer fundamentalen Perspektive ist dies einfach kein gewöhnliches Verhalten. Der zweite Schall wurde bisher nur in einer Handvoll Materialien bei jeder Temperatur gemessen. Alles, was wir beobachten, ist weit außerhalb des Gewöhnlichen und fordert uns heraus, es zu verstehen und zu erklären", sagte Nelson .
Sie denken, dass Folgendes vor sich geht: Graphit oder ein 3D-Material hat eine Schichtstruktur, in der die dünnen Kohlenstoffschichten kaum wissen, dass die andere vorhanden ist, und verhalten sich daher wie Graphen, ein 2D-Material. Aufgrund dessen, was Nelson diese "niedrige Dimensionalität" nennt, ist es viel weniger wahrscheinlich, dass die Phononen, die die Wärme in einer Schicht des Graphits tragen, über andere Schichten springen und diese zerstreuen. Außerdem haben die Phononen, die sich in Graphit bilden können, Wellenlängen, die meist zu groß sind, um nach dem Aufprall auf Atome im Gitter rückwärts zu reflektieren, ein Phänomen, das als Rückstreuung bekannt ist. Diese kleinen Soundpakete streuen zwar etwas, bewegen sich jedoch meist in eine Richtung, was bedeutet, dass sie im Durchschnitt viel schneller eine große Strecke zurücklegen können.
Anmerkung des Herausgebers: Dieser Artikel wurde aktualisiert, um einige der Methoden im Experiment und die Tatsache zu verdeutlichen, dass sich die Wärme mit ungefähr der gleichen Geschwindigkeit ausbreitete, mit der sich der Schall durch Graphit und nicht durch Luft bewegen würde, wie zuvor angegeben.
