Pietarin tutkijat ovat kehittäneet matemaattisen mallin prosesseista, jotka tapahtuvat lämmön leviämisen aikana ultrapuhtaissa kiteissä. Tämä avaa mahdollisuudet uusien materiaalien luomiseen käytettäväksi erilaisten laitteiden jäähdytyspiireissä. He puhuivat tästä Continuum Mechanics and Thermodynamics -lehden sivuilla. Tutkimusta tuettiin Venäjän tiedesäätiön (RSF) myöntämällä avustuksella.
Materiaalit voivat johtaa lämpöä sisäisestä rakenteestaan johtuen. Minkä tahansa kiinteän aineen atomit muussa lämpötilassa kuin absoluuttinen nolla värähtelevät tasapainotilansa ympärille. Tällainen liike voi levitä avaruudessa atomista toiseen. Jotta voitaisiin paremmin kuvailla värähtelevän energian siirtoprosesseja, tutkijat ovat ottaneet käyttöön uuden kvaasiosan (partikkelin, jota voidaan samanaikaisesti pitää aallona) - fononi.
Tätä varten fononien ominaisuuksia käytetään kiinteän olomuodon fysiikassa. Lämpötilan noustessa kidehilan atomivärähtelyjen amplitudi kasvaa. Kuumennetut atomit emittoivat enemmän fononeja. Fononit siirretään kidehilan läpi, ja atomit koko materiaalissa alkavat värähtellä suuremmalla amplitudilla. Kidehilan atomien värähtelyamplitudin lisääntyminen vastaa kiinteän aineen lämpötilan nousua.
Lämmönsiirron olemassa olevan teorian mukaan fononit siirtävät lämpöenergiaa kiinteissä aineissa - analogisesti kuinka fotonit siirtävät valoenergiaa. Tämä teoria ottaa myös huomioon, että fononit voivat hajaantua törmäyksissä kidehilavirheiden kanssa. Hajonnan aikana fononi voi muuttaa liikesuuntaa, mikä vaikeuttaa lämmönsiirtoprosessia. Tämä teoria kuvaa hyvin lämmön leviämistä runkoissa, joissa on suuri määrä vikoja, mutta se ei toimi hyvin ultrapuhtaiden kiteiden tapauksessa (oikeat kiteet, joiden vikojen lukumäärä on minimaalinen).
Pietarin Suuren SPbPU: n tutkijat ovat luoneet matemaattisen mallin, joka kuvaa lämpöenergian siirtoa kiinteissä aineissa heidän kehittämänsä ballistisen lämmönjohtavuuden teorian perusteella. Tämä teoria pitää virheettömiä kiteitä hiukkaskokoelmana, joka on sidottu sidoksilla, jotka voivat venyä ja supistua. Suorittaessaan laskelmia tätä mallia käyttäen tutkijat selvittivät, että lämmönsiirto ultrapuhtaissa kiteissä liittyy fononien vapaaseen leviämiseen. Lämmönsiirron olemassa olevia teorioita ei voida soveltaa tässä tapauksessa.
Lämpöhäiriöiden leviäminen poikittaista värähtelyä suorittavassa neliöhilassa / Anton Krivtsov / indikaattori.ru
Tutkijoiden ei ole vielä saatu päätökseen ballistisen lämmönjohtavuuden teorian luomista, ja nykyisessä työssään he kuvasivat sen taustalla olevan matemaattisen laitteen. Hyvin puhtaan kiteen esimerkkiä käyttämällä tutkijat ovat osoittaneet, että heidän luoma malli kuvaa hyvin fysikaalisen järjestelmän väitetyt ominaisuudet, mutta tietyiltä osin on ristiriidassa klassisen teorian kanssa. Jos tutkijat onnistuvat osoittamaan, että heidän luoma matemaattinen laite pystyy kuvaamaan todellisuudessa havaitut vaikutukset paremmin kuin olemassa oleva malli, niin se pystyy tulevaisuudessa korvaamaan klassisen teorian. SPbPU-tutkijat valmistelevat yhdessä kollegojensa kanssa Berliinin teknillisestä yliopistosta kokeilua, jolla testataan uuden teorian ennusteita.
”Pian luomme teorian ballistisesta lämmön etenemisestä ultrapuhtaissa materiaaleissa. Teorian avulla voidaan kehittää tehokkaita lämmönpoistomenetelmiä käyttämällä ultrapuhtaiden materiaalien ainutlaatuisia lämpöominaisuuksia, jotka on jo mahdollista saada nykyaikaisella tekniikalla. Tämä avaa mahdollisuuksia uusien materiaalien luomiseen käytettäväksi erilaisten laitteiden jäähdytyspiireissä”, - kertoo yksi tutkimuksen kirjoittajista, Venäjän tiedeakatemian vastaava jäsen, fysikaalisten ja matemaattisten tieteiden tohtori, professori Anton Krivtsov.
Mainosvideo: