Управление теплом

Мартин Малдован

Исследователи Массачусетского технологического института (MIT) разработали методику, которая позволяет управлять теплом по-новому, контролируя его так же, как и световые волны, — с помощью линз и зеркал.

Подход основывается на использовании инженерных материалов, состоящих из кристаллов наноструктурированного полупроводника, сообщает achrnews.com. Тепло — это колебание материи, а колебания атомной решетки материала технически — это звук. Значит, их можно также рассматривать как поток фононов — «виртуальных частиц», аналогичных фотонам, несущим свет. Новый подход аналогичен недавно разработанным фотонным кристаллам, которые могут контролировать прохождение света: фононные кристаллы могут делать то же самое для звука.

«Размеры крошечных разрывов в этих материалах настроены таким образом, чтобы соответствовать длине волны тепловых фононов», — говорит Мартин Малдован, ученый-исследователь с кафедры материаловедения и инженерии MIT, автор статьи об открытии, опубликованной в журнале Physical Review Letters.

По словам Малдована, это совершенно новый способ управления теплом. Тепло отличается от звука частотой колебаний. Звуковые волны более низкочастотны (до килогерца — тысяча колебаний в секунду), в то время как тепло возникает из высокочастотных колебаний (терагерц, триллионы колебаний в секунду). И первый шаг Малдована в направлении применения уже разработанной методики для управления звука заключался в уменьшении частоты тепловых фононов, чтобы приблизить ее к звуковой. Ученый называет это «ультразвуковым теплом».

«Фононы звука могут проходить километры, — говорит Малдован, — именно поэтому можно услышать шум издалека. Но фононы тепла путешествуют лишь на нанометры, вот почему нельзя услышать тепло, даже ушами, реагирующими на терагерцовые частоты».  «Тепло охватывает широкий диапазон частот, — продолжает он, — в то время как звук — лишь одну частоту. Поэтому первое, что мы сделали — это уменьшили количество частот в тепле и сделали их ниже, опустив частоты вниз, к границе между теплом и светом. Этого понижения частот мы достигли за счет использования сплавов кремния, включающих наночастицы германия в определенном диапазоне размеров».

	Фото extremetech.com

Благодаря этому методу более 40% общего теплового потока было сконцентрировано в ультразвуковом диапазоне от 100 до 300 ГГц, и большинство фононов расположились в узком луче, вместо того чтобы двигаться в различных направлениях. Этим лучом можно управлять с помощью фононных кристаллов, аналогичных тем, что разработаны для управления звуковыми фононами. Так как эти кристаллы сейчас используются для контроля тепла, Малдован назвал их термокристаллами и отнес к новой категории материалов.

Термокристаллы могут применяться для решения широкого ряда задач, включая улучшение работы термоэлектрических устройств, преобразующих разницу температур в электричество. Термокристаллы могут повысить эффективность работы такой техники за счет управления потоком тепла. Большинство традиционных материалов распространяют тепло во все направления. Термокристаллы могли бы вместо этого производить тепло, движущееся в одном направлении.

Кроме того, кристаллы могут быть использованы для создания теплового диода — материала, в котором тепло может пройти только в одном направлении, не возвращаясь назад. Такой односторонний поток тепла может быть очень полезен для отопления или охлаждения воздуха в энергоэффективных зданиях как в жарком, так и холодном климате.

Добавить TopClimat.ru в «Мои источники» в Яндекс Новости