Vědci z Petrohradu vyvinuli matematický model procesů, ke kterým dochází během šíření tepla v ultračistých krystalech. To otevře vyhlídky na vytvoření nových materiálů pro použití v chladicích obvodech různých zařízení. Mluvili o tom na stránkách časopisu Continuum Mechanics and Thermodynamics. Výzkum byl podpořen grantem Ruské vědecké nadace (RSF).
Materiály mohou díky své vnitřní struktuře vést teplo. Atomy v jakékoli pevné látce při teplotě jiné než absolutní nula vibrují kolem své rovnovážné polohy. Takový pohyb se může šířit v prostoru z jednoho atomu na druhý. Za účelem pohodlnějšího popisu procesů přenosu vibrační energie zavedli vědci nový kvazipartikul (částici, kterou lze považovat za vlnu současně) - fonon.
K tomu jsou vlastnosti fononů používány ve fyzice pevných látek. Jak teplota stoupá, zvyšuje se amplituda atomových vibrací v krystalové mřížce. Zahřáté atomy emitují více fononů. Fonony jsou přenášeny krystalovou mříží a atomy v materiálu začnou vibrovat s větší amplitudou. Zvýšení amplitudy vibrací atomů krystalové mřížky odpovídá zvýšení teploty pevné látky.
Stávající teorie přenosu tepla uvádí, že fonony přenášejí tepelnou energii v pevných látkách - analogicky s tím, jak fotony přenášejí světelnou energii. Tato teorie také bere v úvahu, že fonony mohou být rozptýleny v důsledku kolizí s defekty krystalové mřížky. Během rozptylu může fonon změnit směr pohybu, což komplikuje proces přenosu tepla. Tato teorie dobře popisuje šíření tepla v tělech obsahujících velké množství defektů, ale nefunguje to dobře v případě ultračistých krystalů (skutečné krystaly, jejichž počet defektů je minimální).
Vědci z SPbPU Petera Velikého vytvořili matematický model, který popisuje přenos tepelné energie v pevných látkách na základě teorie balistické tepelné vodivosti, kterou vyvíjejí. Tato teorie považuje krystaly bez defektů za soubor částic spojených vazbami, které se mohou natahovat a stahovat. Při provádění výpočtů pomocí tohoto modelu vědci zjistili, že přenos tepla v ultračistých krystalech je spojen s volnou propagací fononů. Stávající teorie přenosu tepla jsou v tomto případě nepoužitelné.
Šíření tepelných poruch ve čtvercové mřížce provádějící příčné vibrace / Anton Krivtsov / indicator.ru
Vědci dosud nedokončili vytvoření teorie balistické tepelné vodivosti a ve své současné práci popsali matematický aparát, který je základem. Na příkladu superpure krystalu vědci ukázali, že model, který vytvořili, dobře popisuje údajné vlastnosti fyzického systému, ale v některých aspektech je v rozporu s klasickou teorií. Pokud se vědcům podaří prokázat, že matematický aparát, který vytvořili, je schopen popsat účinky pozorované ve skutečnosti lépe než stávající model, bude v budoucnu schopen nahradit klasickou teorii. Vědci SPbPU se společně s kolegy z berlínské technické univerzity již připravují na experiment, který otestuje předpovědi nové teorie.
"Brzy vytvoříme teorii šíření balistického tepla v ultračistých materiálech." Teorie umožní vývoj efektivních metod odvádění tepla pomocí jedinečných tepelných vlastností ultračistých materiálů, které je již možné získat pomocí moderních technologií. Tím se otevřou vyhlídky na vytvoření nových materiálů pro použití v chladicích obvodech různých zařízení, “říká jeden z autorů studie, korespondent Ruské akademie věd, doktor fyzikálních a matematických věd, profesor Anton Krivtsov.
Propagační video: