Naukowcy z Petersburga opracowali model matematyczny procesów zachodzących podczas propagacji ciepła w ultraczystych kryształach. Otworzy to perspektywy dla tworzenia nowych materiałów do zastosowania w obiegach chłodzących różnych urządzeń. Mówili o tym na łamach magazynu Continuum Mechanics and Thermodynamics. Badania zostały sfinansowane z grantu Rosyjskiej Fundacji Nauki (RSF).
Materiały mogą przewodzić ciepło ze względu na swoją strukturę wewnętrzną. Atomy w dowolnej materii stałej w temperaturze innej niż zero absolutne wibrują wokół ich pozycji równowagi. Taki ruch może rozprzestrzeniać się w przestrzeni od jednego atomu do drugiego. Aby wygodniej opisać procesy przenoszenia energii wibracyjnej, naukowcy wprowadzili nową kwazicząstkę (cząstkę, którą można jednocześnie uważać za falę) - fonon.
W tym celu właściwości fononów są wykorzystywane w fizyce ciała stałego. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta amplituda drgań atomowych w sieci krystalicznej. Ogrzane atomy emitują więcej fononów. Fonony są przenoszone przez sieć krystaliczną, a atomy w całym materiale zaczynają wibrować z większą amplitudą. Wzrost amplitudy drgań atomów sieci krystalicznej odpowiada wzrostowi temperatury ciała stałego.
Istniejąca teoria wymiany ciepła mówi, że fonony przenoszą energię cieplną w ciałach stałych - analogicznie do tego, jak fotony przenoszą energię światła. Teoria ta bierze również pod uwagę, że fonony mogą być rozpraszane w wyniku zderzeń z defektami sieci krystalicznej. Podczas rozpraszania fonon może zmieniać kierunek ruchu, komplikując w ten sposób proces wymiany ciepła. Teoria ta dobrze opisuje propagację ciepła w ciałach zawierających dużą liczbę defektów, ale słabo sprawdza się w przypadku kryształów ultraczystych (kryształy rzeczywiste, w których liczba defektów jest minimalna).
Naukowcy z SPbPU Piotra Wielkiego stworzyli model matematyczny opisujący transfer energii cieplnej w ciałach stałych na podstawie teorii balistycznego przewodnictwa cieplnego, którą opracowują. Teoria ta traktuje kryształy bez defektów jako zbiór cząstek połączonych wiązaniami, które mogą się rozciągać i kurczyć. Wykonując obliczenia z wykorzystaniem tego modelu, naukowcy odkryli, że przenoszenie ciepła w ultraczystych kryształach jest związane ze swobodną propagacją fononów. W tym przypadku nie można zastosować istniejących teorii wymiany ciepła.
Rozprzestrzenianie się zaburzenia termicznego w kwadratowej sieci kratowej wykonującej drgania poprzeczne / Anton Krivtsov / Indicator.ru
Badacze nie ukończyli jeszcze tworzenia teorii balistycznego przewodnictwa cieplnego, aw swojej obecnej pracy opisali aparat matematyczny, na którym się ona opiera. Na przykładzie super czystego kryształu naukowcy wykazali, że stworzony przez nich model dobrze opisuje domniemane właściwości układu fizycznego, ale pod pewnymi względami zaprzecza klasycznej teorii. Jeśli naukowcom uda się wykazać, że stworzony przez nich aparat matematyczny jest w stanie lepiej opisać efekty obserwowane w rzeczywistości niż dotychczasowy model, to w przyszłości będzie mógł zastąpić teorię klasyczną. Naukowcy SPbPU wraz z kolegami z Politechniki Berlińskiej już przygotowują się do eksperymentu, który przetestuje przewidywania nowej teorii.
„Wkrótce stworzymy teorię balistycznej propagacji ciepła w ultraczystych materiałach. Teoria pozwoli na opracowanie wydajnych metod odprowadzania ciepła wykorzystujących unikalne właściwości termiczne materiałów ultraczystych, które są już możliwe do uzyskania przy użyciu nowoczesnych technologii. Otworzy to perspektywy dla stworzenia nowych materiałów do stosowania w obiegach chłodzących różnych urządzeń”- mówi jeden z autorów opracowania, członek korespondent Rosyjskiej Akademii Nauk, doktor nauk fizycznych i matematycznych, profesor Anton Krivtsov.
Film promocyjny: