لقد رأى العلماء شيئًا سحريًا يحدث داخل الجرافيت ، وهي الأشياء التي يتكون منها قلم الرصاص الخاص بك: انتقلت الحرارة في موجات بسرعة الصوت.
هذا رادار جميل لسببين: ليس من المفترض أن تتحرك الحرارة مثل الموجة - وعادة ما تنتشر وترتد من جزيئات تهزهز في كل اتجاه. إذا كانت الحرارة يمكن أن تنتقل كموجة ، يمكن أن تتحرك في اتجاه واحد بشكل جماعي بعيدًا عن مصدرها ، نوعًا من انطلاق الطاقة في وقت واحد من جسم ما. في يوم من الأيام ، يمكن استخدام سلوك نقل الحرارة هذا في الجرافيت لتبريد الإلكترونيات الدقيقة في لمح البصر. أي أنه إذا استطاعوا الحصول على درجة حرارة معقولة (كانوا يعملون في درجات حرارة تقشعر لها الأبدان من 240 درجة فهرنهايت ، أو ناقص 151 درجة مئوية).
وقال الباحث في الدراسة كيث نيلسون ، الكيميائي بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا لـ Live Science: "إذا وصلت إلى درجة حرارة الغرفة في بعض المواد ، فستكون هناك احتمالات لبعض التطبيقات" ، مضيفًا أن هذه هي أعلى درجة حرارة شهدها أي شخص يحدث هذا السلوك.
اركب قطار الحرارة
ووصف الباحثون حركة الحرارة "العادية" باستخدام غلاية ساخنة - بعد إيقاف تشغيل الموقد ، تعمل هذه الطاقة الحرارية على ربط جزيئات الهواء التي تصطدم ببعضها البعض وتسلم الحرارة في هذه العملية. ترتد هذه الجزيئات في كل اتجاه. بعض هذه الجزيئات تنتشر في الغلاية. بمرور الوقت ، تصل مياه الغلاية والمناطق المحيطة إلى التوازن عند نفس درجة الحرارة.
في المواد الصلبة ، لا تتحرك الجزيئات لأن الذرات مؤمنة في موضعها. قال نيلسون ، الذي تحدث مع Live Science إلى جانب المؤلف المشارك جان تشين ، مهندس ميكانيكي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: "الشيء الذي يمكن أن يتحرك هو الموجات الصوتية".
بدلا من ذلك ، تسخين القفزات على الفونونات ، أو حزم صغيرة من اهتزاز الصوت ؛ يمكن أن ترتد الفونونات وتنتشر ، وتحمل نوعًا من الحرارة مثل جزيئات الهواء التي تفعلها من الغلاية.
موجة حر غريبة
ليس هذا ما حدث في هذه التجربة الجديدة.
تنبأ العمل النظري السابق لتشن بأن الحرارة قد تنتقل مثل الموجة عند التحرك عبر الجرافيت أو الجرافين. لاختبار ذلك ، اجتاز باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا حزمتي ليزر على سطح الجرافيت ، مما خلق ما يسمى بنمط التداخل حيث توجد خطوط متوازية للضوء ولا يوجد ضوء. هذا خلق نفس النمط من المناطق الساخنة وغير المسخنة على سطح الجرافيت. ثم صوبوا شعاع ليزر آخر في الإعداد لمعرفة ما حدث بمجرد أن ضرب الجرافيت.
وقال نيلسون: "عادةً ما تنتشر الحرارة تدريجياً من المناطق الساخنة إلى المناطق غير المُدفأة حتى يتم التخلص من نمط درجة الحرارة". "بدلاً من ذلك ، تدفقت الحرارة من مناطق ساخنة إلى مناطق غير ساخنة ، واستمرت في التدفق حتى بعد أن كانت درجة الحرارة متساوية في كل مكان ، لذلك كانت المناطق غير المدفأة أكثر دفئًا من المناطق الساخنة أصلاً." في هذه الأثناء ، أصبحت المناطق الساخنة أكثر برودة من المناطق غير المدفأة. وقد حدث كل ذلك بسرعة مذهلة - بنفس السرعة التي ينتقل بها الصوت عادة في الجرافيت.
وقال نيلسون لـ "لايف ساينس": "تدفقت الحرارة بشكل أسرع بكثير لأنها كانت تتحرك بأسلوب يشبه الموجة دون تشتت".
كيف حصلوا على هذا السلوك الغريب ، الذي يسميه العلماء "الصوت الثاني" ليحدث في الجرافيت؟
وقال نيلسون "من منظور أساسي ، هذا ليس سلوكًا عاديًا فقط. تم قياس الصوت الثاني فقط في حفنة من المواد على الإطلاق وفي أي درجة حرارة. أي شيء نلاحظه بعيد كل البعد عن المعتاد يتحدى لنا فهمه وتفسيره". .
إليك ما يعتقدون أنه يحدث: يحتوي الجرافيت ، أو مادة ثلاثية الأبعاد ، على بنية ذات طبقات لا تعرف طبقات الكربون الرقيقة بالكاد وجودها هناك ، وبالتالي فإنها تتصرف مثل الجرافين ، وهو مادة ثنائية الأبعاد. بسبب ما يسميه نيلسون هذا "الأبعاد المنخفضة" ، فإن الفونونات التي تحمل الحرارة في طبقة واحدة من الجرافيت أقل عرضة للارتداد عن الطبقات الأخرى وتناثرها. أيضا ، الفونونات التي يمكن أن تتشكل في الجرافيت لها أطوال موجية تكون في الغالب كبيرة جدًا بحيث لا يمكن عكسها بعد الاصطدام بالذرات في الشبكة ، وهي ظاهرة تعرف باسم الانتثار الخلفي. تتناثر حزم الصوت الصغيرة هذه قليلاً ، ولكنها تسافر في الغالب في اتجاه واحد ، مما يعني أنها في المتوسط يمكنها السفر لمسافات كبيرة بشكل أسرع.
ملاحظة المحرر: تم تحديث هذه المقالة لتوضيح بعض الطرق في التجربة وحقيقة أن الحرارة تنتقل بنفس السرعة التي ينتقل بها الصوت من خلال الجرافيت ، وليس الهواء ، كما ذكر سابقًا.
