Gli scienziati hanno visto accadere qualcosa di magico all'interno della grafite, il materiale di cui è fatta la matita: il calore si muoveva tra le onde alla velocità del suono.
È abbastanza bello per un paio di ragioni: il calore non dovrebbe muoversi come un'onda - di solito si diffonde e rimbalza su molecole che si muovono in ogni direzione; Se il calore può viaggiare come un'onda, può spostarsi in una direzione in direzione della massa, una sorta di energia di zapping tutto in una volta da un oggetto. Un giorno, questo comportamento di trasferimento di calore nella grafite potrebbe essere utilizzato per raffreddare la microelettronica in un attimo. Cioè, se riescono a farlo funzionare a una temperatura ragionevole (stavano lavorando a temperature agghiaccianti per le ossa di meno 240 gradi Fahrenheit o meno 151 gradi Celsius).
"Se arriva a temperatura ambiente in alcuni materiali, allora ci sarebbero prospettive per alcune applicazioni", ha detto a Live Science il ricercatore dello studio Keith Nelson, un chimico del MIT, aggiungendo che questa è la temperatura più alta che qualcuno abbia visto verificarsi questo comportamento.
Sali sul treno di calore
I ricercatori hanno descritto un movimento di calore "normale" usando un bollitore riscaldato. Dopo aver spento il bruciatore, quell'energia di calore fa scattare un passaggio sulle molecole d'aria, che si scontrano l'una con l'altra e distribuiscono il calore nel processo. Queste molecole rimbalzano in ogni direzione; alcune di queste molecole si disperdono nel bollitore. Nel tempo, l'acqua del bollitore e l'ambiente circostante raggiungono l'equilibrio alla stessa temperatura.
Nei solidi, le molecole non si muovono perché gli atomi sono bloccati in posizione. "La cosa che può muoversi sono le onde sonore", ha detto Nelson, che ha parlato con Live Science insieme al coautore Gang Chen, un ingegnere meccanico del MIT.
Piuttosto, il calore salta sui fononi o su piccoli pacchetti di vibrazioni sonore; i fononi possono rimbalzare e disperdersi, trasportando calore come una molecola d'aria dal bollitore.
Una strana ondata di calore
Non è quello che è successo in questo nuovo esperimento.
Precedenti lavori teorici di Chen avevano previsto che il calore potesse spostarsi come un'onda quando si muoveva attraverso la grafite o il grafene. Per provarlo, i ricercatori del MIT hanno attraversato due raggi laser sulla superficie della loro grafite, creando quello che viene chiamato un modello di interferenza in cui c'erano linee parallele di luce e nessuna luce. Ciò ha creato lo stesso modello di regioni riscaldate e non riscaldate sulla superficie della grafite. Quindi, hanno puntato un altro raggio laser sul setup per vedere cosa è successo una volta che ha colpito la grafite.
"Normalmente, il calore si diffonderebbe gradualmente dalle regioni riscaldate a quelle non riscaldate, fino a quando il modello di temperatura non fosse eliminato", ha detto Nelson. "Invece, il calore scorreva dalle regioni riscaldate a quelle non riscaldate e continuava a fluire anche dopo che la temperatura era stata equalizzata ovunque, quindi le regioni non riscaldate erano in realtà più calde delle regioni inizialmente riscaldate." Le regioni riscaldate, nel frattempo, sono diventate ancora più fredde rispetto alle regioni non riscaldate. E tutto è accaduto in modo incredibilmente veloce - all'incirca alla stessa velocità che il suono normalmente viaggia nella grafite.
"Il calore scorreva molto più velocemente perché si muoveva in modo ondulato senza dispersioni", ha detto Nelson a Live Science.
Come hanno ottenuto questo strano comportamento, che gli scienziati chiamano "secondo suono", che si verifica nella grafite?
"Da un punto di vista fondamentale, questo non è semplicemente un comportamento normale. Il secondo suono è stato misurato solo in una manciata di materiali, a qualsiasi temperatura. Qualunque cosa osserviamo che è fuori dall'ordinario ci sfida a comprenderlo e spiegarlo", ha detto Nelson .
Ecco cosa pensano che stia succedendo: la grafite, o un materiale 3D, ha una struttura a strati in cui i sottili strati di carbonio difficilmente sanno che l'altro è lì, e quindi si comportano in qualche modo come il grafene, che è un materiale 2D. A causa di ciò che Nelson chiama questa "bassa dimensionalità", i fononi che trasportano il calore in uno strato di grafite hanno molte meno probabilità di rimbalzare e disperdersi su altri strati. Inoltre, i fononi che possono formarsi in grafite hanno lunghezze d'onda che sono per lo più troppo grandi per riflettere all'indietro dopo essersi schiantati contro gli atomi nel reticolo, un fenomeno noto come backscatter. Questi piccoli pacchetti audio si disperdono un po ', ma viaggiano principalmente in una direzione, il che significa che in media potrebbero percorrere una grande distanza molto più velocemente.
Nota del redattore: questo articolo è stato aggiornato per chiarire alcuni dei metodi dell'esperimento e il fatto che il calore viaggiasse alla stessa velocità con cui il suono avrebbe viaggiato attraverso la grafite, non l'aria, come precedentemente affermato.
