物理科技生物学-PHYICA

在铅笔芯中观察到奇异的“第二声音”崂山城管强拆部队现象

纳米技术 2021-11-12 23:57:24

麻省理工学院 信用:CC0公共领域 下一次你把水壶烧开时,考虑一下这种情况:关掉燃烧器后,水壶不再保持高温,慢慢加热周围的厨房和炉子,而是迅速冷却到室温,热量以滚烫的波的形式消失

我们知道热在我们的日常环境中不会这样

但是现在麻省理工学院的研究人员在一种相当普通的材料中观察到了这种看似不可信的热传输模式,被称为“第二声音”:石墨——铅笔芯的材料

在120开尔文或-240华氏度的温度下,他们看到了清晰的迹象,表明热量可以以波状运动的方式穿过石墨

当热量以接近音速的速度穿过材料时,原本温暖的点会瞬间变冷

这种行为类似于声音在空气中传播的波状方式,因此科学家们将这种奇特的热传输模式称为“第二声音”

" 新的结果代表了科学家观察到的第二声音的最高温度

此外,石墨是一种商业上可获得的材料,相比之下,更纯、更难控制的材料在20K(-420℉)时表现出第二声音,这种温度对于任何实际应用来说都太冷了

发表在《科学》杂志上的这一发现表明,石墨,或许还有它的高性能亲戚石墨烯,可以以一种以前未被认识到的方式有效地去除微电子器件中的热量

麻省理工学院的哈斯拉姆和杜威化学教授基思·尼尔森说:“对于像计算机和电子设备这样的设备来说,有一种巨大的推动力使它们变得更小、更密集,在这种规模下热管理变得更加困难。”

“有充分的理由相信,即使在室温下,第二种声音在石墨烯中可能更明显

如果事实证明石墨烯可以有效地以波的形式散热,那当然很棒

" 这个结果来自纳尔逊的研究小组和卡尔·理查德·索德伯格的机械工程和动力工程教授陈刚的长期跨学科合作

麻省理工学院论文的合著者是主要作者萨姆·胡伯尔曼和瑞恩·邓肯、陈科、白松、瓦兹里克·齐洛扬、丁志伟和阿列克谢·马兹涅夫

《在快车道》 通常情况下,热量以扩散的方式穿过晶体,由“声子”或声振动能量包携带

任何结晶固体的微观结构都是一个原子晶格,当热量通过材料时,原子晶格会振动

这些晶格振动,即声子,最终带走热量,从源头扩散出去,尽管源头仍然是最热的区域,就像炉子上的水壶逐渐冷却一样

水壶仍然是最热的地方,因为当热量被空气中的分子带走时,这些分子不断地向各个方向扩散,包括回到水壶

这种“反向散射”也发生在声子身上,即使热量扩散出去,也能使固体的原始受热区域保持最热

然而,在呈现第二声音的材料中,这种背散射被严重抑制

取而代之的是,声子保存了动量并集体冲走,储存在声子中的热量以波的形式被带走

因此,最初被加热的点几乎立即冷却,接近音速

陈团队先前的理论工作表明,在一定温度范围内,石墨烯中的声子可能以动量守恒的方式相互作用,这表明石墨烯可能表现出第二声音

去年,陈实验室的一名成员很好奇,对于像石墨这样更普通的材料,这种说法是否成立

基于陈团队先前开发的石墨烯工具,他开发了一个复杂的模型来数值模拟石墨样品中声子的输运

对于每一个声子,他根据他们的方向和能量,记录了每一个其他声子可能发生的散射事件

他在从50 K到室温的温度范围内进行了模拟,发现在80K到120 K的温度下,热量可能以类似于第二声音的方式流动

胡伯尔曼和邓肯在尼尔森的小组里合作了另一个项目

当他与邓肯分享他的预测时,实验主义者决定测试胡伯尔曼的计算

“这是一次惊人的合作,”陈说

“瑞安基本上放弃了做这个实验的一切,在很短的时间内

" 邓肯补充道:“我们真的是在快速通道上。”

颠覆常规 邓肯的实验围绕一个10平方毫米的商用石墨样品展开

利用一种叫做瞬态热光栅的技术,他交叉了两个激光束,这样它们的光的干涉在一小块石墨样品的表面产生了一个“波纹”图案

样品中位于波纹波峰下方的区域被加热,而与波纹波谷相对应的区域仍未被加热

波峰之间的距离约为10微米

邓肯然后用第三束激光束照射样品,其光被波纹衍射,其信号由光电探测器测量

这个信号与波纹图案的高度成正比,这取决于波峰比波谷热多少

通过这种方式,邓肯可以跟踪随着时间的推移热量是如何流过样品的

如果热量在样品中正常流动,当热量从波峰流向波谷时,邓肯会看到表面波纹慢慢减少,将波纹图案冲走

相反,他在120 K时观察到了“完全不同的行为”

波峰没有随着波谷的冷却而逐渐衰减到与波谷相同的水平,而是实际上波峰变得比波谷更冷,因此波纹模式被颠倒了——这意味着在一段时间内,热量实际上从较冷的区域流向较暖的区域

邓肯说:“这完全违背了我们的日常经验,也违背了几乎所有物质在任何温度下的热传输。”

“这看起来真像第二个声音

当我看到这一幕时,我不得不坐了五分钟,我对自己说,‘这不可能是真的

但是我连夜做了这个实验,看看它是否会再次发生,结果证明它是非常可复制的

" 根据胡伯尔曼的预测,石墨的二维相对物石墨烯在接近或超过室温的更高温度下也可能表现出第二声音的特性

如果是这种情况,他们计划对其进行测试,那么石墨烯可能是冷却密度越来越大的微电子器件的实用选择

尼尔森说:“这是我会关注的一小部分职业亮点之一,在这些亮点中,结果真的颠覆了你通常对某些事情的思考方式。”

“它变得更加令人兴奋,因为根据它的发展方向,未来可能会有有趣的应用

从基本的角度来看,这是毫无疑问的,这真的很不寻常,也很令人兴奋

"

来源:由phyica.com整理转载自PH,转载请保留出处和链接!

本文链接:http://www.phyica.com/namijishu/4006.html

发表评论

用户头像 游客
此处应有掌声~

评论列表

还没有评论,快来说点什么吧~