De volgende keer dat u een waterkoker aan de kook brengt, overweeg dit scenario:Nadat u de brander hebt uitgeschakeld, in plaats van warm te blijven en de omringende keuken en het fornuis langzaam op te warmen, de ketel koelt snel af tot kamertemperatuur en zijn warmte dendert weg in de vorm van een kokend hete golf.

We weten dat warmte zich in onze dagelijkse omgeving niet zo gedraagt. Maar nu hebben MIT-onderzoekers deze schijnbaar onwaarschijnlijke manier van warmtetransport waargenomen, bekend als "tweede geluid, " in een nogal alledaags materiaal:grafiet - het spul van potloodlood.

Bij temperaturen van 120 kelvin, of -240 graden Fahrenheit, ze zagen duidelijke tekenen dat warmte in een golfbeweging door grafiet kan reizen. Punten die oorspronkelijk warm waren, worden onmiddellijk koud gelaten, omdat de warmte met bijna de geluidssnelheid over het materiaal beweegt. Het gedrag lijkt op de golfachtige manier waarop geluid door de lucht reist, dus wetenschappers hebben deze exotische manier van warmtetransport 'tweede geluid' genoemd.

De nieuwe resultaten vertegenwoordigen de hoogste temperatuur waarbij wetenschappers een tweede geluid hebben waargenomen. Bovendien, grafiet is een in de handel verkrijgbaar materiaal, in tegenstelling tot meer pure, moeilijk te controleren materialen die een tweede geluid hebben vertoond bij 20 K, (-420 F) - temperaturen die veel te koud zouden zijn om praktische toepassingen uit te voeren.

De vondst, gepubliceerd in Wetenschap , suggereert dat grafiet, en misschien zijn goed presterende familielid, grafeen, kan efficiënt warmte in micro-elektronische apparaten verwijderen op een manier die voorheen niet werd herkend.

"Er is een enorme druk om dingen kleiner en dichter te maken voor apparaten zoals onze computers en elektronica, en thermisch beheer wordt moeilijker op deze schalen, " zegt Keith Nelson, de Haslam en Dewey hoogleraar scheikunde aan het MIT. "Er is een goede reden om aan te nemen dat het tweede geluid meer uitgesproken is in grafeen, zelfs bij kamertemperatuur. Als blijkt dat grafeen warmte efficiënt kan afvoeren als golven, dat zou zeker geweldig zijn."

Het resultaat kwam voort uit een langdurige interdisciplinaire samenwerking tussen de onderzoeksgroep van Nelson en die van Gang Chen, de Carl Richard Soderberg hoogleraar Werktuigbouwkunde en Energietechniek. MIT co-auteurs op het papier zijn hoofdauteurs Sam Huberman en Ryan Duncan, Ke Chen, Bai-lied, Vazrik Chiloyan, Zhiwei Ding, en Alexei Maznev.

"In de expresbaan"

Normaal gesproken, warmte reist diffuus door kristallen, gedragen door "fonons, " of pakketten akoestische trillingsenergie. De microscopische structuur van een kristallijne vaste stof is een rooster van atomen die trillen als warmte door het materiaal beweegt. Deze roostertrillingen, de fononen, uiteindelijk warmte afvoeren, het verspreiden van zijn bron, hoewel die bron de warmste regio blijft, net als een waterkoker die geleidelijk afkoelt op een fornuis.

De waterkoker blijft de warmste plek omdat warmte wordt afgevoerd door moleculen in de lucht, deze moleculen worden constant in alle richtingen verspreid, inclusief terug naar de waterkoker. Deze "terugverstrooiing" komt ook voor voor fononen, waardoor het oorspronkelijke verwarmde gebied van een vaste plek de warmste plek blijft, zelfs als de warmte wegvloeit.

Echter, in materialen die een tweede geluid vertonen, deze terugverstrooiing wordt sterk onderdrukt. Fononen behouden in plaats daarvan momentum en razen massaal weg, en de warmte die in de fononen is opgeslagen, wordt als een golf gedragen. Dus, het punt dat oorspronkelijk werd verwarmd, wordt vrijwel onmiddellijk afgekoeld, dicht bij de geluidssnelheid.

Eerder theoretisch werk in de groep van Chen had gesuggereerd dat, binnen een bereik van temperaturen, fononen in grafeen kunnen voornamelijk op een momentumbesparende manier interageren, wat aangeeft dat grafeen een tweede geluid kan vertonen. Vorig jaar, Huberman, een lid van Chen's lab, was benieuwd of dit ook geldt voor meer alledaagse materialen als grafiet.

Voortbouwend op tools die eerder zijn ontwikkeld in Chen's groep voor grafeen, hij ontwikkelde een ingewikkeld model om het transport van fononen in een grafietmonster numeriek te simuleren. Voor elke fonon, hij hield elke mogelijke verstrooiingsgebeurtenis bij die kon plaatsvinden met elke andere fonon, gebaseerd op hun richting en energie. Hij deed de simulaties over een reeks temperaturen, van 50 K tot kamertemperatuur, en ontdekte dat warmte zou kunnen stromen op een manier die vergelijkbaar is met het tweede geluid bij temperaturen tussen 80 en 120 K.

Huberman had samengewerkt met Duncan, in de groep van Nelson, op een ander project. Toen hij zijn voorspellingen met Duncan deelde, de experimentator besloot Hubermans berekeningen op de proef te stellen.

"Dit was een geweldige samenwerking, " zegt Chen. "Ryan liet eigenlijk alles vallen om dit experiment te doen, in een zeer korte tijd."

"We zaten hiermee echt in de expresbaan, ' voegt Duncan toe.

De norm verhogen

Duncans experiment draaide om een ​​kleine, 10 vierkante millimeter monster van in de handel verkrijgbaar grafiet.

Met behulp van een techniek die transiënt thermisch rooster wordt genoemd, hij kruiste twee laserstralen zodat de interferentie van hun licht een "rimpel" patroon op het oppervlak van een klein monster van grafiet genereerde. De gebieden van het monster onder de toppen van de rimpel werden verwarmd, terwijl degenen die overeenkwamen met de troggen van de rimpeling onverwarmd bleven. De afstand tussen de toppen was ongeveer 10 micron.

Duncan scheen toen met een derde laserstraal op het monster, wiens licht werd verstrooid door de rimpeling, en het signaal ervan werd gemeten door een fotodetector. Dit signaal was evenredig met de hoogte van het rimpelpatroon, die afhing van hoeveel heter de toppen waren dan de dalen. Op deze manier, Duncan kon volgen hoe warmte in de loop van de tijd door het monster stroomde.

Als warmte normaal in het monster zou stromen, Duncan zou de oppervlakterimpelingen langzaam hebben zien afnemen toen de hitte van de toppen naar de dalen ging, het rimpelpatroon wegwassen. In plaats daarvan, hij observeerde "een totaal ander gedrag" bij 120 K.

In plaats van de toppen geleidelijk te zien aftakelen tot hetzelfde niveau als de troggen terwijl ze afkoelden, de toppen werden eigenlijk koeler dan de dalen, zodat het rimpelpatroon omgekeerd was - wat betekent dat voor een deel van de tijd, warmte stroomde eigenlijk van koelere streken naar warmere streken.

"Dat is volledig in strijd met onze dagelijkse ervaring, en tot thermisch transport in bijna elk materiaal bij elke temperatuur, " zegt Duncan. "Dit leek echt op een tweede geluid. Toen ik dit zag moest ik vijf minuten gaan zitten, en ik zei tegen mezelf:'Dit kan niet echt zijn.' Maar ik heb het experiment 's nachts uitgevoerd om te zien of het weer gebeurde, en het bleek zeer reproduceerbaar te zijn."

Volgens de voorspellingen van Huberman, het tweedimensionale familielid van grafiet, grafeen, kan ook eigenschappen van tweede geluid vertonen bij nog hogere temperaturen die kamertemperatuur naderen of overschrijden. Als dit de zaak is, die ze van plan zijn te testen, dan kan grafeen een praktische optie zijn voor het koelen van steeds dichtere micro-elektronische apparaten.

"Dit is een van de weinige hoogtepunten in mijn carrière waar ik naar uitkijk, waar de resultaten de manier waarop je normaal over iets denkt echt op zijn kop zetten, ", zegt Nelson. "Het is nog spannender gemaakt door het feit dat, afhankelijk van waar het vanaf hier gaat, er kunnen in de toekomst interessante toepassingen zijn. Er is geen vraag vanuit een fundamenteel oogpunt, het is echt ongewoon en opwindend."