Vedci z Petrohradu vyvinuli matematický model procesov, ktoré sa vyskytujú počas šírenia tepla v ultračistých kryštáloch. Tým sa otvoria vyhliadky na vývoj nových materiálov na použitie v chladiacich obvodoch rôznych zariadení. Hovorili o tom na stránkach časopisu Continuum Mechanics and Thermodynamics. Výskum bol podporený grantom od Ruskej vedeckej nadácie (RSF).
Materiály môžu vďaka svojej vnútornej štruktúre viesť teplo. Atómy v akejkoľvek pevnej látke pri inej teplote ako je absolútna nula vibrujú okolo svojej rovnovážnej polohy. Takýto pohyb sa môže šíriť v priestore z jedného atómu na druhý. Aby sa pohodlnejšie opísali procesy prenosu vibračnej energie, vedci predstavili nový kvasipartikul (časticu, ktorú je možné považovať súčasne za vlnu) - fonón.
Na tento účel sa vlastnosti fonónov používajú vo fyzike tuhých látok. Keď teplota stúpa, zvyšuje sa amplitúda atómových vibrácií v kryštálovej mriežke. Zahrievané atómy emitujú viac fonónov. Fonóny sú prenášané cez kryštálovú mriežku a atómy v celom materiáli začínajú vibrovať s väčšou amplitúdou. Zvýšenie amplitúdy vibrácií atómov kryštalickej mriežky zodpovedá zvýšeniu teploty tuhej látky.
Existujúca teória prenosu tepla uvádza, že fonóny prenášajú tepelnú energiu v pevných látkach - analogicky s tým, ako fotóny prenášajú svetelnú energiu. Táto teória tiež berie do úvahy, že fonóny môžu byť rozptýlené kvôli zrážkam s poruchami kryštalickej mriežky. Počas rozptylu môže fonón zmeniť smer pohybu, čo komplikuje proces prenosu tepla. Táto teória dobre popisuje šírenie tepla v telách obsahujúcich veľké množstvo defektov, ale nefunguje to dobre v prípade ultračistých kryštálov (skutočné kryštály, ktorých počet defektov je minimálny).
Vedci z SPbPU Petra Veľkého vytvorili matematický model, ktorý popisuje prenos tepelnej energie v pevných látkach na základe teórie balistickej tepelnej vodivosti, ktorú vyvíjajú. Táto teória považuje kryštály bez defektov za súbor častíc spojených väzbami, ktoré sa môžu rozťahovať a sťahovať. Pri výpočtoch pomocou tohto modelu vedci zistili, že prenos tepla v ultračistých kryštáloch je spojený s voľnou propagáciou fonónov. Existujúce teórie prenosu tepla nie sú v tomto prípade použiteľné.
Propagácia tepelného rušenia v štvorcovej mriežke vykonávajúcej priečne vibrácie / Anton Krivtsov / indicator.ru
Vedci ešte nedokončili vytvorenie teórie balistickej tepelnej vodivosti a vo svojej súčasnej práci opísali matematický aparát, ktorý je jej základom. Na príklade superpure crystal sa vedci ukázali, že model, ktorý vytvorili, dobre popisuje údajné vlastnosti fyzického systému, ale v niektorých aspektoch je v rozpore s klasickou teóriou. Ak sa vedcom podarí preukázať, že matematický aparát, ktorý vytvorili, je schopný lepšie opísať účinky pozorované v skutočnosti ako existujúci model, v budúcnosti bude schopný nahradiť klasickú teóriu. Vedci SPbPU sa spolu s kolegami z berlínskej technickej univerzity už pripravujú na experiment, ktorý otestuje predpovede novej teórie.
„Čoskoro vytvoríme teóriu balistického šírenia tepla v ultračistých materiáloch. Teória umožní vývoj efektívnych metód odvádzania tepla pomocou jedinečných tepelných vlastností ultračistých materiálov, ktoré je už možné získať pomocou moderných technológií. Tým sa otvoria vyhliadky na vytvorenie nových materiálov na použitie v chladiacich obvodoch rôznych zariadení, “hovorí jeden z autorov štúdie, korešpondent člen Ruskej akadémie vied, doktor fyzikálnych a matematických vied, profesor Anton Krivtsov.
Propagačné video: