Петербургските учени са разработили математически модел на процесите, протичащи при разпространението на топлина в ултрачисти кристали. Това ще отвори перспективи за създаването на нови материали за използване в охлаждащи вериги на различно оборудване. Те говориха за това на страниците на сп. Механика и термодинамика. Изследването беше подкрепено с безвъзмездна финансова помощ от Руската научна фондация (RSF).
Материалите могат да отвеждат топлина поради вътрешната си структура. Атомите във всяка твърда материя при температура, различна от абсолютна нула, вибрират около равновесното им положение. Такова движение може да се разпространява в пространството от един атом на друг. За да опишат по-удобно процесите на прехвърляне на вибрационна енергия, учените въведоха нова квазичастица (частица, която може да се разглежда едновременно като вълна) - фонон.
За това свойствата на фононите се използват във физиката на твърдото тяло. С повишаването на температурата амплитудата на атомните вибрации в кристалната решетка се увеличава. Загрятите атоми излъчват повече фонони. Фононите се прехвърлят през кристалната решетка и атомите в целия материал започват да вибрират с по-голяма амплитуда. Увеличение на вибрационната амплитуда на атомите на кристалната решетка съответства на повишаване на температурата на твърдото вещество.
Съществуващата теория за пренос на топлина гласи, че фононите прехвърлят топлинна енергия в твърди частици - по аналогия с това как фотоните предават светлинна енергия. Също така тази теория взема предвид, че фононите могат да бъдат разпръснати поради сблъсъци с дефекти на кристална решетка. По време на разсейването си фононът може да промени посоката на движение, като по този начин усложнява процеса на пренос на топлина. Тази теория описва добре разпространението на топлина в тела, съдържащи голям брой дефекти, но тя не работи добре в случай на ултрачисти кристали (истински кристали, броят на дефектите в които е минимален).
Учени от SPbPU на Петър Велики създадоха математически модел, който описва прехвърлянето на топлинна енергия в твърди частици въз основа на теорията за балистичната топлопроводимост, която те развиват. Тази теория разглежда кристалите без дефекти като съвкупност от частици, свързани чрез връзки, които могат да се разтеглят и свиват. При извършване на изчисления, използвайки този модел, учените установили, че преносът на топлина в ултрачисти кристали е свързан със свободното разпространение на фонони. Съществуващите теории за пренос на топлина са неприложими в този случай.
Разпространение на топлинни смущения в квадратна решетка, изпълняваща напречни вибрации / Антон Кривцов / indikator.ru
Изследователите тепърва са завършили създаването на теорията за балистичната топлопроводимост и в настоящата си работа са описали математическия апарат, който стои в основата му. Използвайки примера на свръхчистен кристал, учените показаха, че създаденият от тях модел описва добре предполагаемите свойства на физическата система, но в някои аспекти противоречи на класическата теория. Ако учените успеят да покажат, че създаденият от тях математически апарат е в състояние да опише ефектите, наблюдавани в реалността, по-добре от съществуващия модел, то в бъдеще той ще може да замени класическата теория. Изследователите на SPbPU, заедно с колеги от Берлинския технически университет, вече се подготвят за експеримент, който ще тества прогнозите на новата теория.
„Скоро ще създадем теория за балистично разпространение на топлина в ултрачисти материали. Теорията ще позволи разработването на ефективни методи за отстраняване на топлина, като се използват уникалните топлинни свойства на ултрачисти материали, които вече е възможно да се получат с помощта на съвременни технологии. Това ще отвори перспективи за създаването на нови материали за използване в охлаждащи вериги на различни съоръжения”, казва един от авторите на изследването, член-кореспондент на Руската академия на науките, доктор на физико-математическите науки, професор Антон Кривцов.
Промоционално видео: