Ha bekapcsoljuk  a vízforralót, megtörténhet hogy miután kikapcsoltuk a forralást, ahelyett, hogy  a víz forró maradna és lassan melegíteni a környezetét – tehát a konyhát – a vízforraló hirtelen szobahőmérsékletre hűl, és hője forró hullámként elszáll.

Hétköznapi esetekben a hő nem így viselkedik. Most azonban a Massachusettsi Műszaki Egyetem, az MIT kutatói a hőtranszport egy valószínűtlen módját figyelték meg, egy kevésbé hétköznapi közegben, a grafitban, amely „második hang” néven ismert.

Hatékony megoldás születhet a hőelvezetésre a mikroelektronikai eszközökben

Százhúsz Kelvin fokon, vagyis körülbelül -153 Celsiuson egyértelmű jelei voltak annak, hogy a hő hullámszerű mozgással halad át a grafiton. Az anyag eredetileg meleg pontjai rögtön hideggé váltak, mialatt a hő hangsebességhez közeli sebességgel haladt át rajta. Ez a viselkedés hasonlít a hang terjedésére a levegőben, innen a tudósok a második hang elnevezést.

A felfedezés szerint a grafit, és talán nagy teljesítményű rokona a grafén is hatékonyan vezethetik el a hőt a mikroelektronikai eszközökben, egy eddig ismeretlen módon.

„Nagy a nyomás, hogy lekicsinyítsük, és sűrűbbé tegyük a számítógépeinkbe és elektronikai eszközeinkbe szánt alkatrészeket, azonban ilyen kis méretek mellett a hő kezelése is nehezebbé vált. Ha kiderülne, hogy a grafén hatékonyan vezeti el a hőt, az csodálatos lenne” – mondta Keith Nelson, az MIT kémia professzora.

Az eredmény a Nelson kutatói csoport és Gang Chan mérnök közötti hosszú távú interdiszciplináris együttműködés során született. A tanulmányban szereplő társszerzők az MIT-ról Sam Huberman, Ryan Duncan, Ke Chen, Bai Song, Vazrik Chiloyan, Zhiwei Ding és Alexei Maznev.

A „gyorsítósávban”

Alapesetben a hő diffúz módon, szétszóródva halad át a kristályokon, fononok – vagyis a szilárdtesteket felépítő atomok kollektív rezgéseit leíró kvázirészecskék – szállítják, vagy akusztikus vibrációs energiacsomagok. Minden kristály szilárdságú anyag mikroszkópikus felépítése atomrácsos, amely a hőáthaladásakor vibrál.

Ezek a rácsvibrációk és a fononok elvezetik a hőt, szétszórva azt a forrásától, mégis a forrás marad a legmelegebb terület, ahhoz hasonlóan ahogy a vízforraló fokozatosan lehűl.

A forraló marad a legmelegebb pont, mivel a hőt a levegőben lévő molekulák szállítják, amelyek minden irányba szétszóródnak, így vissza a forralóba is. „Visszaszóródás” történik a fononok esetében is, így marad a legforróbb pont az eredetileg melegített terület, még a hő terjedésével együtt is.

Mindenesetre azok az anyagok, amelyeknél „második hang jelenség” mutatható ki, a visszaszóródás erőteljesen fojtott. Ehelyett a fononok megőrzik az impulzust, és masszívan elvezetik a hőt, hullámként szállítják. Így az eredetileg melegített pont majdnem azonnal lehűl, a hang sebességéhez közeli sebességgel.

Chen csoportjának korábbi elméletei szerint egy bizonyos hőmérsékleti tartományon belül a grafénban lévő fononok impulzusmegőrző módon lépnek kölcsönhatásba, ezzel előrejelezve, hogy a grafén képes lehet „második hang terjedésre”. Tavaly Huberman, Chen laborjának egy tagja kíváncsi volt, hogy vajon igaz lehet-e ez a grafitnál hétköznapibb közegben is.

Chen csoportja a fononok szállítását szimulálta

Eszközöket fejlesztett korábban Chen csoportja  a grafénra, egy olyan bonyolult modellt, amely numerikusan szimulálja a fononok szállítását egy grafitmintában. Minden egyes fonon összes lehetséges szóródását nyomon követte, tekintettel az irányukra és energiájukra egyaránt. A szimulációt ötven Kelvintől, vagyis -223 Celsiustól egészen a szobahőmérsékletig terjedő tartományban futtatta le, és úgy találta, hogy a hő a „második hanghoz” hasonló módon áramlik -193 és -153 Celsius fok közötti hőmérsékleten.

Huberman Duncannel együtt dolgozott a nelsoni csoportban egy másik projekten. Amikor megérzését megosztotta Duncannel, a kísérletező úgy döntött, Huberman számításait alkalmazza a teszt során. „Hihetetlen együttműködés volt, Ryan gyakorlatilag mindent bedobott, hogy végrehajthassuk ezt a kísérletet. Ezzel valóban a gyorsítósávban találtuk magunkat ” – jelentette ki Duncan.

A norma növelése

Duncan kísérlete egy kicsi, 10 négyzetmilliméteres, kereskedelmi forgalomban elérhető grafit körül összpontosult.

Az úgynevezett átmeneti termikus rácstechnikát használva két lézernyalábot keresztezett, így a fényük interferenciája „fodrozott” mintázatot alkot a kis méretű grafit minta felületén. A fodortaréjok alatt fekvő területet melegítették, ahol a minta feküdt, miközben a fodrok völgyszakaszai melegítetlenek maradtak.

A fodrok között 10 mikron volt a távolság. Ezután Duncan ráirányított egy harmadik lézernyalábot a mintára, amelyet  egy fotódetektor mérései szerint elhajlítottak a fodrok. A jel a fodrok magasságával volt arányos, amely attól függ, hogy mennyivel forróbbak a taréjok, mint a völgyek. Ezen az úton továbbhaladva Duncan képes volt időben követni a mintán áthaladó hőáramot.

Ha a hő normál módon áramlott volna a mintában, Duncan a felszíni fodrok lassú csökkenését tapasztalta volna, ahogy a hő a taréjoktól a völgyekig halad a fodros mintázatot elmosva. Ehelyett teljesen különböző viselkedést figyelt meg -153 Celsiuson.

A termodinamika törvényeivel ellentétesen

Ahelyett, hogy a taréjok fokozatosan a völgyekkel azonos szintre hanyatlottak volna, ahogy hűltek, a taréjok valójában hidegebbek lettek a völgyeknél, így vált fodrossá a mintázat – ez azt jelenti, előfordult, hogy a hő a hidegebb terület felől áramlott a melegebb felé, a termodinamika törvényeivel ellentétesen.

Ez teljesen ellentétes a mindennapos tapasztalatainkkal és a termális transzporttal minden anyag esetén, minden hőmérsékleten. „Amikor ezt láttam, le kellett ülnöm egy öt percre és azt gondoltam, ez nem lehet valóságos” – mondta el Duncan.

A kutató egész éjjel tovább dolgozott azt kutatva, hogy mindez megfigyelhető-e újra és nagyon is végül nagyon is reprodukálhatónak bizonyult. Huberman megérzéseire hagyatkozva, a grafit két-dimenziós rokona, a grafén még magasabb hőmérséklethez közeledve vagy szobahőmérsékleten is mutathat „második hang”-tulajdonságokat. Ebben az esetben, amelyet tervek szerint tesztelni is fognak, a grafén praktikus megoldás lehet az egyre sűrűbb mikroelektronikai eszközök hűtésére.

„Még izgalmasabb az, hogy hova juthat el mindez innen, érdekes alkalmazási módjai lehetnek a jövőben. Az alapvető nézőpontunk, hogy nagyon szokatlan és izgalmas felfedezés” – zárta Nelson.