St. Petersburg-forskare har utvecklat en matematisk modell av de processer som uppstår under utbredningen av värme i ultrapure kristaller. Detta öppnar förutsättningar för att skapa nya material för användning i kylkretsar för olika utrustningar. De pratade om detta på sidorna till tidningen Continuum Mechanics och Thermodynamics. Forskningen stöds av ett bidrag från Russian Science Foundation (RSF).
Material kan leda värme på grund av deras inre struktur. Atomer i något fast ämne vid en annan temperatur än absolut noll vibrerar kring deras jämviktsposition. En sådan rörelse kan spridas i rymden från en atom till en annan. För att mer bekvämt beskriva processerna för överföring av vibrationsenergi har forskare infört en ny kvasipartikel (en partikel som kan betraktas samtidigt som en våg) - ett fonon.
För detta används egenskaperna hos fononer i fysik i fast tillstånd. När temperaturen stiger ökar amplituden hos atomvibrationer i kristallgitteret. De uppvärmda atomerna avger fler fononer. Fononer överförs genom kristallgitteret, och atomer i hela materialet börjar vibrera med större amplitud. En ökning av vibrationsamplituden hos kristallernas atomer motsvarar en ökning av det fasta ämnets temperatur.
Den befintliga teorin om värmeöverföring säger att fononer överför termisk energi i fasta ämnen - analogt med hur fotoner överför ljusenergi. Denna teori tar också hänsyn till att fononer kan spridas på grund av kollisioner med kristallgitterfel. Under spridningen kan fononet ändra rörelseriktningen och därmed komplicera processen för värmeöverföring. Denna teori beskriver väl utbredningen av värme i kroppar som innehåller ett stort antal defekter, men det fungerar inte bra när det gäller ultrapure-kristaller (verkliga kristaller, antalet defekter i vilket är minimal).
Forskare från Peter den Stors SPbPU har skapat en matematisk modell som beskriver överföring av värmeenergi i fasta ämnen utifrån teorin om ballistisk värmeledningsförmåga som de utvecklar. Denna teori betraktar defektfria kristaller som en samling av partiklar förbundna med bindningar som kan sträckas och sammandras. När de utförde beräkningar med denna modell fann forskare att värmeöverföring i ultrapure kristaller är förknippad med fri spridning av fononer. De befintliga teorierna om värmeöverföring är inte tillämpliga i detta fall.
Förökning av termisk störning i ett kvadratgitter som utför tvärgående vibrationer / Anton Krivtsov / indicator.ru
Forskare har ännu inte slutfört skapandet av teorin om ballistisk värmeledningsförmåga, och i sitt nuvarande arbete beskrev de den matematiska apparaten som ligger till grund för den. Med hjälp av exemplet på en superkristall har forskare visat att modellen de skapade väl beskriver de påstådda egenskaperna hos ett fysiskt system, men i vissa aspekter motsäger den klassiska teorin. Om forskare lyckas visa att den matematiska apparaten de har skapat kan beskriva effekterna i verkligheten bättre än den befintliga modellen, kommer den i framtiden att kunna ersätta den klassiska teorin. SPbPU-forskare, tillsammans med kollegor från Berlins tekniska universitet, förbereder sig redan för ett experiment som kommer att testa förutsägelserna för den nya teorin.
”Snart kommer vi att skapa en teori om ballistisk värmeutbredning i ultrapure material. Teorin möjliggör utveckling av effektiva metoder för värmeavlägsnande med användning av de unika termiska egenskaperna hos ultrapure-material, som redan är möjliga att erhålla med modern teknik. Detta kommer att öppna förutsättningar för att skapa nya material för användning i kylkretsar av olika utrustningar, säger en av författarna till studien, motsvarande medlem av den ryska vetenskapsakademin, doktor i fysiska och matematiska vetenskaper, professor Anton Krivtsov.
Kampanjvideo: