Wetenschappers in Sint-Petersburg hebben een wiskundig model ontwikkeld van de processen die plaatsvinden tijdens de voortplanting van warmte in ultrapure kristallen. Dit opent perspectieven voor het creëren van nieuwe materialen voor gebruik in koelcircuits van verschillende apparatuur. Ze spraken hierover op de pagina's van het tijdschrift Continuum Mechanics and Thermodynamics. Het onderzoek werd ondersteund door een subsidie van de Russian Science Foundation (RSF).
Materialen kunnen warmte geleiden vanwege hun interne structuur. Atomen in een vaste stof bij een andere temperatuur dan het absolute nulpunt trillen rond hun evenwichtspositie. Een dergelijke beweging kan zich in de ruimte voortplanten van het ene atoom naar het andere. Om de processen van de overdracht van trillingsenergie gemakkelijker te beschrijven, hebben wetenschappers een nieuw quasi-deeltje (een deeltje dat tegelijkertijd als een golf kan worden beschouwd) geïntroduceerd: een fonon.
Hiervoor worden de eigenschappen van fononen gebruikt in de vaste-stoffysica. Naarmate de temperatuur stijgt, neemt de amplitude van atoomtrillingen in het kristalrooster toe. De verwarmde atomen zenden meer fononen uit. Fononen worden door het kristalrooster overgebracht en atomen door het materiaal beginnen met grotere amplitude te trillen. Een toename van de trillingsamplitude van de atomen van het kristalrooster komt overeen met een toename van de temperatuur van de vaste stof.
De bestaande theorie van warmteoverdracht stelt dat fononen thermische energie overdragen in vaste stoffen - naar analogie met hoe fotonen lichtenergie overdragen. Deze theorie houdt er ook rekening mee dat fononen kunnen worden verstrooid als gevolg van botsingen met kristalroosterdefecten. Tijdens zijn verstrooiing kan de fonon de bewegingsrichting veranderen, waardoor het proces van warmteoverdracht gecompliceerd wordt. Deze theorie beschrijft goed de voortplanting van warmte in lichamen met een groot aantal defecten, maar werkt niet goed in het geval van ultrapure kristallen (echte kristallen, het aantal defecten waarin het aantal defecten minimaal is).
Wetenschappers van de SPbPU van Peter de Grote hebben een wiskundig model gemaakt dat de overdracht van thermische energie in vaste stoffen beschrijft op basis van de theorie van ballistische thermische geleidbaarheid die ze ontwikkelen. Deze theorie beschouwt defectvrije kristallen als een verzameling deeltjes die zijn verbonden door bindingen die kunnen uitrekken en samentrekken. Bij het uitvoeren van berekeningen met dit model ontdekten wetenschappers dat warmteoverdracht in ultrapure kristallen geassocieerd is met de vrije voortplanting van fononen. De bestaande theorieën over warmteoverdracht zijn in dit geval niet van toepassing.
Voortplanting van thermische storing in een vierkant rooster dat transversale trillingen uitvoert / Anton Krivtsov / indicator.ru
Onderzoekers moeten de ontwikkeling van de theorie van ballistische thermische geleidbaarheid nog voltooien, en in hun huidige werk hebben ze het wiskundige apparaat beschreven dat eraan ten grondslag ligt. Met behulp van het voorbeeld van een superzuiver kristal hebben wetenschappers aangetoond dat het model dat ze hebben gemaakt de vermeende eigenschappen van een fysisch systeem goed beschrijft, maar in sommige opzichten in tegenspraak is met de klassieke theorie. Als wetenschappers erin slagen aan te tonen dat het door hen gecreëerde wiskundige apparaat in staat is om de in werkelijkheid waargenomen effecten beter te beschrijven dan het bestaande model, dan zal het in de toekomst de klassieke theorie kunnen vervangen. SPbPU-onderzoekers bereiden zich samen met collega's van de Technische Universiteit van Berlijn al voor op een experiment dat de voorspellingen van de nieuwe theorie gaat testen.
“Binnenkort zullen we een theorie ontwikkelen over ballistische warmtevoortplanting in ultrapure materialen. De theorie zal de ontwikkeling mogelijk maken van efficiënte methoden voor warmteafvoer met behulp van de unieke thermische eigenschappen van ultrapure materialen, die al mogelijk zijn met moderne technologieën. Dit opent perspectieven voor het creëren van nieuwe materialen voor gebruik in koelcircuits van verschillende apparatuur,”zegt een van de auteurs van de studie, corresponderend lid van de Russische Academie van Wetenschappen, doctor in de fysische en wiskundige wetenschappen, professor Anton Krivtsov.
Promotie video:
