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匪夷所思!科学家发现常温石墨中热量以声速移动
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匪夷所思!科学家发现常温石墨中热量以声速移动
浏览:197 发布日期:2019-04-13

空气传导热量是通过分子携带,分子不断相互碰撞,并在各个方向( 向前,侧向甚至向后)散热。这种方式基本上是低效率,导致导热相对缓慢(相比之下,辐射热可以作为红外辐射以光速传播)。

而在大多数情况下,不会出现“第二声”现象。 75年前首次在液氦中检测到第二声,后来在三种固体中观察到这种现象。

但大约在五年前数值模拟的明显改进帮助恢复了这一领域研究,使学家们认识到这种现象可能更为普遍。例如,麻省理工学院的工程师Gang Chen提出,在常温温度下,石墨中可能会看到第二声现象。

瑞士联邦理工学院材料科学家尼古拉·马扎里(Nicola Marzari)表示:“并不是非常清楚第二声音与麻省理工实验结果的区别。整个领域的研究已经蛰伏多年了。”

这种被称为“第二声”的现象让物理学家感到兴奋,部分原因是它可以为先进的微电子技术铺平道路。

试想一下,如果热量以声速散出去,让材料和设备更快地冷却。这样的技术进步肯定会让工程师们建造出更小,更高效的微电子技术。

麻省理工学院的研究生瑞恩·邓肯刚刚进行了一项新的石墨实验,结果令人不敢相信:通常以缓慢分散的热量以声速经过石墨。这就像在热炉上放一盆水,它几乎瞬间沸腾。

尼尔森说:“这就是波浪运动的表现方式。如果你在游泳池中,并且你制造了一个水波,那么它将会离开你所在的地方。但是热量表现不正常。”

科学家发现常温石墨中热量以声速移动

该发现可能在未来可以找到实际用途。石墨是一种常见的材料,也不需要之前研究认为的低温条件,这两个特性可能有助于工程师克服当今微电子学中令人生畏的热管理问题。

为了确保他没有犯错误,邓肯对实验内容进行了四重检查,再次进行了实验,并进行了心理健康休息。当他第二天早上在电脑前,他面对相同的结果:热量仍然快速地移动。

但这正是邓肯的实验所发现的奇怪现象。在“第二声”中,声子的后向散射被严重抑制,从而允许热量向前发射。

热量在固体中移动同样缓慢。在固体当中,声子(晶格振动的简正模能量量子)像空气中的分子一样携带热量,使其在所有方向上散射并缓慢分散。麻省理工学院基思·尼尔森说 :“这有点像你把一滴食用色素放入水中,就会蔓延开来。它不会像箭头那样直接从你放下的地方移开。”

邓肯和他的同事上周在《科学》杂志上发表了他们的研究结果。

首先,邓肯使用两个交叉激光束将热量沉积到石墨样品中以产生干涉图案(交替的明暗区域对应于碰撞波浪中的波峰和波谷)。一开始,波峰加热石墨,而波谷保持冷却。但是一旦邓肯关闭了激光器,当热量从热波峰流向冷却槽时,模式将开始缓慢减弱。一旦整个样品达到均匀温度,实验将结束。当激光停止发光时,石墨继续让热量流动,直到热的波峰变得比波谷更冷。两者令人吃惊的出现了反转,类似波浪起伏一样。

尼尔森说:“早期的所有迹象都表明,这种情况实际上仅限于很少的材料,而且只能在非常低的温度下使用,因此,科学家认为第二声的研究已经走到了尽头。”