Na próxima vez que você colocar uma chaleira para ferver, considere este cenário:Depois de desligar o queimador, em vez de ficar quente e aquecer lentamente a cozinha e o fogão ao redor, a chaleira esfria rapidamente até a temperatura ambiente e seu calor é dissipado na forma de uma onda fervente.

Sabemos que o calor não se comporta dessa forma em nosso ambiente do dia-a-dia. Mas agora os pesquisadores do MIT observaram este modo aparentemente implausível de transporte de calor, conhecido como "segundo som, "em um material bastante comum:grafite - o material de grafite de lápis.

A temperaturas de 120 Kelvin, ou -240 graus Fahrenheit, eles viram sinais claros de que o calor pode viajar através da grafite em um movimento ondulatório. Os pontos que eram originalmente quentes ficam instantaneamente frios, à medida que o calor se move através do material próximo à velocidade do som. O comportamento se assemelha à forma ondulatória em que o som viaja pelo ar, portanto, os cientistas apelidaram esse modo exótico de transporte de calor de "segundo som".

Os novos resultados representam a temperatura mais alta na qual os cientistas observaram um segundo som. O que mais, o grafite é um material disponível comercialmente, em contraste com o mais puro, materiais difíceis de controlar que exibiram um segundo som a 20 K, (-420 F) - temperaturas que seriam muito frias para executar quaisquer aplicações práticas.

A descoberta, publicado em Ciência , sugere que o grafite, e talvez seu parente de alto desempenho, grafeno, pode remover com eficiência o calor em dispositivos microeletrônicos de uma forma que não era anteriormente reconhecida.

"Há um grande esforço para tornar as coisas menores e mais densas para dispositivos como nossos computadores e eletrônicos, e o gerenciamento térmico se torna mais difícil nessas escalas, "diz Keith Nelson, o Haslam e Dewey Professor de Química no MIT. "Há boas razões para acreditar que o segundo som pode ser mais pronunciado no grafeno, mesmo à temperatura ambiente. Se acabar que o grafeno pode remover o calor de forma eficiente como ondas, isso certamente seria maravilhoso. "

O resultado veio de uma longa colaboração interdisciplinar entre o grupo de pesquisa de Nelson e o de Gang Chen, o Professor Carl Richard Soderberg de Engenharia Mecânica e Engenharia de Energia. Os co-autores do MIT no artigo são os autores principais Sam Huberman e Ryan Duncan, Ke Chen, Bai Song, Vazrik Chiloyan, Zhiwei Ding, e Alexei Maznev.

"Na via expressa"

Normalmente, o calor viaja através dos cristais de maneira difusiva, transportado por "fônons, "ou pacotes de energia vibracional acústica. A estrutura microscópica de qualquer sólido cristalino é uma rede de átomos que vibram conforme o calor se move através do material. Essas vibrações de rede, os fônons, em última análise, carrega o calor para longe, difundindo-o de sua fonte, embora essa fonte continue sendo a região mais quente, muito parecido com uma chaleira resfriando gradualmente em um fogão.

A chaleira continua a ser o local mais quente porque, à medida que o calor é levado pelas moléculas do ar, essas moléculas estão constantemente espalhadas em todas as direções, incluindo de volta para a chaleira. Este "retrocesso" ocorre também para os fônons, mantendo a região original aquecida de um sólido, o ponto mais quente, mesmo quando o calor se difunde.

Contudo, em materiais que exibem um segundo som, este retrodifusão é fortemente suprimido. Em vez disso, os fones de ouvido conservam o momentum e disparam em massa, e o calor armazenado nos fônons é transportado como uma onda. Assim, o ponto que foi originalmente aquecido é resfriado quase instantaneamente, próximo à velocidade do som.

Trabalhos teóricos anteriores no grupo de Chen sugeriram que, dentro de uma faixa de temperaturas, fônons no grafeno podem interagir predominantemente de forma conservadora de momentum, indicando que o grafeno pode exibir um segundo som. Ano passado, Huberman, um membro do laboratório de Chen, estava curioso para saber se isso poderia ser verdade para materiais mais comuns como o grafite.

Com base em ferramentas desenvolvidas anteriormente no grupo de Chen para o grafeno, ele desenvolveu um modelo intrincado para simular numericamente o transporte de fônons em uma amostra de grafite. Para cada fonema, ele manteve o controle de todos os eventos de dispersão possíveis que poderiam ocorrer com todos os outros fonons, com base em sua direção e energia. Ele executou as simulações em uma gama de temperaturas, de 50 K à temperatura ambiente, e descobri que o calor pode fluir de maneira semelhante ao segundo som em temperaturas entre 80 e 120 K.

Huberman estava colaborando com Duncan, no grupo de Nelson, em outro projeto. Quando ele compartilhou suas previsões com Duncan, o experimentalista decidiu colocar os cálculos de Huberman à prova.

"Esta foi uma colaboração incrível, "Diz Chen." Ryan basicamente largou tudo para fazer este experimento, em muito pouco tempo. "

"Estávamos realmente na via expressa com isso, "Duncan acrescenta.

Mudando a norma

O experimento de Duncan centrou-se em um pequeno, Amostra de 10 milímetros quadrados de grafite disponível comercialmente.

Usando uma técnica chamada grade térmica transitória, ele cruzou dois feixes de laser para que a interferência de sua luz gerasse um padrão de "ondulação" na superfície de uma pequena amostra de grafite. As regiões da amostra subjacentes às cristas da ondulação foram aquecidas, enquanto aqueles que correspondiam às depressões da ondulação permaneceram sem aquecimento. A distância entre as cristas era de cerca de 10 mícrons.

Duncan então iluminou a amostra com um terceiro feixe de laser, cuja luz foi difratada pela ondulação, e seu sinal foi medido por um fotodetector. Este sinal era proporcional à altura do padrão de ondulação, que dependia de quão mais quentes eram as cristas do que as depressões. Desta maneira, Duncan pôde rastrear como o calor fluía pela amostra ao longo do tempo.

Se o calor fluir normalmente na amostra, Duncan teria visto as ondulações da superfície diminuindo lentamente conforme o calor se movia das cristas para as depressões, lavando o padrão de ondulação. Em vez de, ele observou "um comportamento totalmente diferente" a 120 K.

Em vez de ver as cristas decair gradualmente para o mesmo nível das calhas à medida que esfriavam, as cristas realmente ficaram mais frias do que as calhas, de modo que o padrão de ondulação foi invertido - o que significa que por algum tempo, o calor na verdade fluía das regiões mais frias para as mais quentes.

"Isso é completamente contrário à nossa experiência cotidiana, e ao transporte térmico em quase todos os materiais em qualquer temperatura, "Duncan diz." Isso realmente parecia um segundo som. Quando eu vi isso, tive que sentar por cinco minutos, e eu disse a mim mesmo, "Isso não pode ser real." Mas fiz o experimento durante a noite para ver se acontecia de novo, e provou ser muito reproduzível. "

De acordo com as previsões de Huberman, parente bidimensional da grafite, grafeno, também pode exibir propriedades de segundo som em temperaturas ainda mais altas que se aproximam ou excedem a temperatura ambiente. Se esse é o caso, que eles planejam testar, então, o grafeno pode ser uma opção prática para resfriar dispositivos microeletrônicos cada vez mais densos.

"Este é um de um pequeno número de destaques de carreira que eu consideraria, onde os resultados realmente mudam a maneira como você normalmente pensa sobre algo, "Nelson diz." É mais empolgante pelo fato de que, dependendo de para onde vai a partir daqui, pode haver aplicações interessantes no futuro. Não há dúvida de um ponto de vista fundamental, é realmente incomum e emocionante. "