Znanstvenici iz Sankt Peterburga razvili su matematički model procesa koji se događaju tijekom širenja topline u ultračistim kristalima. Ovo će otvoriti izglede za stvaranje novih materijala za upotrebu u rashladnim krugovima razne opreme. O tome su razgovarali na stranicama časopisa Continuum Mechanics and Thermodynamics. Istraživanje je podržano stipendijom Ruske zaklade za znanost (RSF).
Materijali mogu provesti toplinu zbog svoje unutarnje strukture. Atomi u bilo kojoj krutoj tvari na temperaturi koja nije apsolutna nula vibriraju oko njihovog ravnotežnog položaja. Takvo kretanje može se širiti u prostoru od jednog atoma do drugog. Kako bi što povoljnije opisali procese prenošenja vibracijske energije, znanstvenici su uveli novi kvazi čestica (čestica koja se istovremeno može smatrati valom) - fonon.
Za to se koriste svojstva fonona u fizici čvrstog stanja. Kako temperatura raste, povećava se amplituda atomske vibracije u kristalnoj rešetki. Ugrijani atomi emitiraju više fonona. Fononi se prenose preko kristalne rešetke, a atomi u cijelom materiju počinju vibrirati s većom amplitudom. Povećanje amplitude vibracija atoma kristalne rešetke odgovara povećanju temperature krutine.
Postojeća teorija prijenosa topline kaže da fononi prenose toplinsku energiju u čvrstim tvarima - analogno načinu na koji fotoni prenose svjetlosnu energiju. Također, ova teorija uzima u obzir da se fononi mogu raspršiti zbog sudara s defektima kristalne rešetke. Tijekom raspršivanja, fonon može mijenjati smjer kretanja, što otežava proces prijenosa topline. Ova teorija dobro opisuje širenje topline u tijelima koja sadrže velik broj oštećenja, ali ne djeluje dobro u slučaju ultračistih kristala (stvarnih kristala, čiji je broj oštećenja minimalan).
Znanstvenici iz Petra Velikog sv. Ova teorija kristale bez oštećenja smatra skupom čestica povezanih vezama koje se mogu protezati i skupiti. Znanstvenici su tijekom obavljanja izračuna pomoću ovog modela otkrili da je prijenos topline u ultračistim kristalima povezan sa slobodnim širenjem fonona. Postojeće teorije prijenosa topline nisu primjenjive u ovom slučaju.
Širenje toplinskih poremećaja u kvadratnoj rešetki koji izvode poprečne vibracije / Anton Krivtsov / pokazatelj.ru
Istraživači tek trebaju dovršiti stvaranje teorije balističke provođenja topline, a u svom trenutnom radu opisali su matematički aparat koji se nalazi iza njega. Koristeći primjerom kristala koji je čist, znanstvenici su pokazali da model koji su stvorili dobro opisuje navodna svojstva fizičkog sustava, ali u nekim aspektima je u suprotnosti s klasičnom teorijom. Ako znanstvenici uspiju pokazati da je matematički aparat koji su stvorili sposoban opisati efekte promatrane u stvarnosti bolje od postojećeg modela, to će u budućnosti moći zamijeniti klasičnom teorijom. Istraživači SPbPU-a, zajedno s kolegama s Berlinskog tehničkog sveučilišta, već se pripremaju za eksperiment koji će testirati predviđanja nove teorije.
Uskoro ćemo stvoriti teoriju balističkog širenja topline u ultračistim materijalima. Teorija će omogućiti razvoj učinkovitih metoda uklanjanja topline pomoću jedinstvenih toplinskih svojstava ultračistih materijala, koje je već moguće dobiti suvremenim tehnologijama. To će otvoriti izglede za stvaranje novih materijala za upotrebu u rashladnim krugovima razne opreme, “kaže jedan od autora studije, dopisni član Ruske akademije znanosti, doktor fizičkih i matematičkih znanosti, profesor Anton Krivtsov.
Promotivni video: