Các nhà khoa học đã thấy một điều kỳ diệu xảy ra bên trong than chì, thứ mà cây bút chì của bạn được tạo ra: Nhiệt di chuyển theo sóng với tốc độ âm thanh.
Điều đó thật tuyệt vời vì một vài lý do: Nhiệt không được cho là di chuyển như sóng - nó thường khuếch tán và bật ra khỏi các phân tử gây cười theo mọi hướng; Nếu nhiệt có thể truyền đi như một sóng, nó có thể di chuyển theo một hướng cách xa nguồn của nó, loại năng lượng bắn ra cùng một lúc từ một vật thể. Một ngày nào đó, hành vi truyền nhiệt này trong than chì có thể được sử dụng để hạ nhiệt vi điện tử trong tích tắc. Đó là, nếu họ có thể làm cho nó hoạt động ở nhiệt độ hợp lý (họ đã làm việc ở nhiệt độ lạnh thấu xương là âm 240 độ F, hoặc âm 151 độ C).
"Nếu nó làm cho nhiệt độ phòng trong một số vật liệu, thì sẽ có triển vọng cho một số ứng dụng", nhà nghiên cứu Keith Nelson, nhà hóa học MIT, nói với Live Science, thêm rằng đây là nhiệt độ cao nhất mà bất kỳ ai từng thấy hành vi này xảy ra.
Lên tàu nhiệt
Các nhà nghiên cứu đã mô tả chuyển động nhiệt "bình thường" bằng cách sử dụng ấm đun nước nóng - Sau khi tắt đầu đốt, năng lượng nhiệt đó cản trở các phân tử không khí, va vào nhau và xử lý nhiệt trong quá trình này. Các phân tử này nảy xung quanh theo mọi hướng; một số phân tử này phân tán trở lại ấm đun nước. Theo thời gian, nước ấm và môi trường xung quanh đạt đến trạng thái cân bằng ở cùng nhiệt độ.
Trong chất rắn, các phân tử không di chuyển vì các nguyên tử bị khóa vào vị trí. "Thứ có thể di chuyển là sóng âm thanh", ông Nelson, người đã nói chuyện với Live Science cùng với đồng tác giả Gang Chen, một kỹ sư cơ khí tại MIT, nói.
Thay vào đó, nhiệt nhảy vào phonon, hoặc các gói rung động âm thanh nhỏ; các phonon có thể nảy và tán xạ, mang theo loại nhiệt giống như các phân tử không khí làm từ ấm.
Một đợt nắng nóng
Đó không phải là những gì đã xảy ra trong thí nghiệm mới này.
Công trình lý thuyết trước đây của Chen đã dự đoán rằng nhiệt có thể truyền như sóng khi di chuyển qua than chì hoặc graphene. Để kiểm tra điều này, các nhà nghiên cứu của MIT đã vượt qua hai chùm tia laser trên bề mặt than chì của họ, tạo ra cái gọi là mô hình giao thoa trong đó có các vạch sáng song song và không có ánh sáng. Điều này tạo ra mô hình tương tự của các khu vực nóng và không nóng ở bề mặt than chì. Sau đó, họ nhắm một chùm tia laser khác vào thiết lập để xem điều gì đã xảy ra khi nó chạm vào than chì.
"Thông thường, nhiệt sẽ dần dần khuếch tán từ các vùng nóng sang các vùng không nóng, cho đến khi mô hình nhiệt độ bị cuốn trôi", ông Nelson nói. "Thay vào đó, nhiệt truyền từ vùng nóng sang vùng không nóng và tiếp tục chảy ngay cả sau khi nhiệt độ được cân bằng ở mọi nơi, vì vậy vùng không nóng thực sự ấm hơn so với vùng nóng ban đầu." Các khu vực nóng, trong khi đó, thậm chí còn trở nên mát hơn so với các khu vực không nóng. Và tất cả xảy ra rất nhanh - với cùng tốc độ mà âm thanh thường truyền trong than chì.
"Nhiệt truyền nhanh hơn nhiều vì nó chuyển động theo kiểu sóng mà không bị tán xạ", ông Nelson nói với Live Science.
Làm thế nào mà họ có được hành vi kỳ lạ này, mà các nhà khoa học gọi là "âm thanh thứ hai" xảy ra trong than chì?
"Từ góc độ cơ bản, đây không chỉ là hành vi thông thường. Âm thanh thứ hai chỉ được đo trong một số ít vật liệu, ở bất kỳ nhiệt độ nào. Bất cứ điều gì chúng ta quan sát đều vượt xa những thách thức thông thường để chúng ta hiểu và giải thích nó", ông Nelson nói .
Đây là những gì họ nghĩ đang diễn ra: Graphite, hoặc vật liệu 3D, có cấu trúc phân lớp trong đó các lớp carbon mỏng hầu như không biết lớp kia ở đó, và do đó chúng hoạt động giống như graphene, là vật liệu 2D. Bởi vì cái mà Nelson gọi là "chiều không gian thấp" này, các phonon mang nhiệt trong một lớp than chì sẽ ít bị dội lại và phân tán ra khỏi các lớp khác. Ngoài ra, các phonon có thể hình thành trong than chì có bước sóng chủ yếu là quá lớn để phản xạ ngược sau khi đâm vào các nguyên tử trong mạng tinh thể, một hiện tượng được gọi là tán xạ ngược. Những gói âm thanh nhỏ này làm phân tán một chút, nhưng di chuyển chủ yếu theo một hướng, có nghĩa là trung bình, chúng có thể di chuyển một khoảng cách lớn nhanh hơn nhiều.
Lưu ý của biên tập viên: Bài viết này đã được cập nhật để làm rõ một số phương pháp trong thí nghiệm và thực tế là nhiệt truyền đi ở cùng tốc độ mà âm thanh sẽ truyền qua than chì, không phải không khí, như đã nêu trước đây.
