Znanstveniki so videli, da se znotraj grafita dogaja nekaj čarobnega, stvari, iz katerih je sestavljen svinčnik: Vročina se je valove premikala s hitrostjo zvoka.
To je precej rad iz več razlogov: toplota se ne bi smela premikati kot valovanje - ponavadi se razprši in odskoči iz drsnih molekul v vsako smer; Če lahko toplota potuje kot val, se lahko giblje v eno smer oddaljeno od svojega vira, tako da naenkrat zbere energijo iz predmeta. Nekega dne bi to vedenje prenosa toplote v grafitu lahko uporabili za hitro ohlajanje mikroelektronike. To pomeni, če jim uspe, da delajo primerno temperaturo (delali so pri temperaturah ohlajanja kosti do minus 240 stopinj Fahrenheita ali minus 151 stopinj Celzija).
"Če se pri nekaterih materialih lahko doseže sobna temperatura, potem obstajajo možnosti za nekatere aplikacije," je za Live Science povedal kemik MIT Keith Nelson in dodal, da je to najvišja temperatura, ki jo je kdo videl.
Pojdi na toplotni vlak
Raziskovalci so opisali "normalno" gibanje toplote z ogrevanim kotličkom - po izklopu gorilnika se toplotna energija pripeti na molekule zraka, ki se med seboj spopadajo in oddajajo toploto. Te molekule odskočijo v vsako smer; nekatere od teh molekul se raztrosijo nazaj na kotliček. Sčasoma voda kotlička in okolica dosežeta ravnovesje pri isti temperaturi.
V trdnih snoveh se molekule ne premikajo, ker so atomi blokirani. "Stvar, ki se lahko premika, so zvočni valovi," je dejal Nelson, ki je govoril z Live Science skupaj s soavtorjem Gangom Chenom, inženirjem strojništva na MIT.
Namesto, da bi skočili na fonene ali majhne pakete zvočne vibracije; fononi lahko odskočijo in se razpršijo, prenašajo toploto, podobno kot molekule zraka iz kotlička.
Nenavaden toplotni val
Ni se zgodilo v tem novem poskusu.
Prejšnje teoretično delo Chena je predvidevalo, da lahko toplota potuje kot val, ko se premika skozi grafit ali grafen. Da bi to preizkusili, so raziskovalci MIT prekrižali dva laserska žarka na površini njihovega grafita in ustvarili tako imenovani motenjski vzorec, v katerem so bile vzporedne črte svetlobe in brez svetlobe. To je ustvarilo enak vzorec ogrevanih in neogrevanih področij na površini grafita. Nato so v nastavitev usmerili še en laserski žarek, da bi videli, kaj se je zgodilo, ko je zadel grafit.
"Običajno bi se toplota postopoma razpršila iz ogrevanih območij v neogrevana območja, dokler se temperaturni vzorec ne izpere," je dejal Nelson. "Namesto tega je toplota tekla iz ogrevanih v neogrevana območja in še naprej tekla, tudi ko je bila temperatura povsod izenačena, tako da so bile neogrevane regije dejansko toplejše od prvotno ogrevanih regij." Ogrevane regije so medtem postale še bolj hladne kot neogrevane regije. In vse se je zgodilo dih jemajoče hitro - približno z enako hitrostjo, kot je zvok, ki običajno potuje v grafitu.
"Vročina je tekla veliko hitreje, ker se je gibala valovito, ne da bi se razpršila," je Nelson povedal Live Science.
Kako so do tega čudnega vedenja, ki ga znanstveniki imenujejo "drugi zvok", nastali v grafitu?
"S temeljnega vidika to ni samo navadno vedenje. Drugi zvok je bil izmerjen le v peščici materialov, kadarkoli in pri kateri koli temperaturi. Karkoli opazimo, je to izven običajnih izzivov, da ga razumemo in razložimo," je dejal Nelson .
Takole mislijo, da se dogaja: Grafit ali 3D material ima plastno strukturo, v kateri tanke ogljikove plasti komajda vedo, da je druga, in se tako obnašajo kot grafen, ki je 2D material. Zaradi tega, kar Nelson imenuje ta "nizka dimenzionalnost", je pri fononih, ki prenašajo toploto v enem sloju grafita, manj verjetno, da bodo odskočili in se razkropili po drugih plasteh. Tudi fononi, ki se lahko tvorijo v grafitu, imajo valovne dolžine, ki so večinoma prevelike, da bi se odražale nazaj, potem ko se strmoglavilo v atome v rešetki, pojav, znan kot backscatter. Ti majhni zvočni paketi se sicer nekoliko raztresejo, vendar potujejo večinoma v eno smer, kar pomeni, da bi lahko v povprečju prehodili veliko razdaljo veliko hitreje.
Opomba urednika: Ta članek je bil posodobljen, da bi razjasnil nekatere metode v poskusu in dejstvo, da je toplota potovala s približno enako hitrostjo, kot bi bil zvok potoval skozi grafit, ne pa zrak, kot je bilo že omenjeno.
