Sankt Peterburški znanstveniki so razvili matematični model procesov, ki se pojavljajo med širjenjem toplote v ultračistih kristalih. To bo odprlo možnosti za ustvarjanje novih materialov za uporabo v hladilnih krogih različne opreme. O tem so govorili na straneh revije Mehanika kontinuiteta in termodinamike. Raziskavo je podprla štipendija Ruske znanstvene fundacije (RSF).
Materiali lahko prenašajo toploto zaradi svoje notranje strukture. Atomi v kateri koli trdni snovi pri temperaturi, ki ni absolutna nič, vibrirajo glede na njihov ravnotežni položaj. Takšno gibanje se lahko širi v prostoru od enega atoma do drugega. Da bi lažje opisali procese prenašanja vibracijske energije, so znanstveniki uvedli nov kvazi člen (delček, ki ga je mogoče obravnavati hkrati kot val) - fonon.
Za to se lastnosti fizikov uporabljajo v fiziki trdnih snovi. Ko temperatura narašča, se amplituda atomskih vibracij v kristalni rešetki povečuje. Segreti atomi oddajajo več fonov. Fononi se prenašajo skozi kristalno mrežo in atomi v celotnem materialu začnejo vibrirati z večjo amplitudo. Povečanje amplitude vibracij atomov kristalne rešetke ustreza povečanju temperature trdne snovi.
Obstoječa teorija prenosa toplote navaja, da fononi prenašajo toplotno energijo v trdnih snoveh - po analogiji s tem, kako fotoni prenašajo svetlobno energijo. Tudi ta teorija upošteva, da se fononi lahko razpršijo zaradi trkov s pomanjkljivostmi kristalne rešetke. Med svojim razprševanjem lahko fonon spremeni smer gibanja in s tem zaplete proces prenosa toplote. Ta teorija dobro opisuje širjenje toplote v telesih, ki vsebujejo veliko število napak, vendar ne deluje dobro pri ultračistih kristalih (resnični kristali, katerih število napak je minimalno).
Znanstveniki iz SPbPU Petra Velikega so na podlagi teorije balistične toplotne prevodnosti, ki jo razvijajo, ustvarili matematični model, ki opisuje prenos toplotne energije v trdnih snoveh. Ta teorija kristale brez napak obravnava kot zbirko delcev, povezanih z vezmi, ki se lahko raztezajo in strdijo. Znanstveniki so pri izvajanju izračunov po tem modelu ugotovili, da je prenos toplote v ultračistih kristalih povezan s prostim širjenjem fonov. Obstoječe teorije prenosa toplote v tem primeru niso uporabne.
Širjenje toplotnih motenj v kvadratni rešetki, ki izvaja prečne vibracije / Anton Krivtsov / indikator.ru
Raziskovalci še niso dokončali ustvarjanja teorije balistične toplotne prevodnosti, v svojem trenutnem delu pa so opisali matematični aparat, ki je podlaga za to. Na primeru primera nadčistega kristala so znanstveniki pokazali, da model, ki so ga ustvarili, dobro opisuje domnevne lastnosti fizičnega sistema, vendar je v nekaterih pogledih v nasprotju s klasično teorijo. Če znanstvenikom uspe pokazati, da je matematični aparat, ki so ga ustvarili, sposoben opisati učinke, ki so jih opazili v resnici, bolje kot obstoječi model, potem bo v prihodnosti lahko nadomestil klasično teorijo. Raziskovalci SPbPU se skupaj s kolegi z berlinske tehnične univerze že pripravljajo na eksperiment, ki bo preizkusil napovedi nove teorije.
»Kmalu bomo ustvarili teorijo balističnega širjenja toplote v ultračistih materialih. Teorija bo omogočila razvoj učinkovitih metod odstranjevanja toplote z uporabo edinstvenih toplotnih lastnosti ultračistega materiala, ki jih je že mogoče pridobiti z uporabo sodobnih tehnologij. To bo odprlo možnosti za ustvarjanje novih materialov za uporabo v hladilnih tokokrogih različnih naprav, - pravi eden od avtorjev študije, dopisni član Ruske akademije znanosti, doktor fizikalnih in matematičnih znanosti, profesor Anton Krivtsov.
Promocijski video: