Gli scienziati di San Pietroburgo hanno sviluppato un modello matematico dei processi che si verificano durante la propagazione del calore nei cristalli ultrapuri. Ciò aprirà prospettive per la creazione di nuovi materiali da utilizzare nei circuiti di raffreddamento di varie apparecchiature. Ne hanno parlato sulle pagine della rivista Continuum Mechanics and Thermodynamics. La ricerca è stata sostenuta da una sovvenzione della Russian Science Foundation (RSF).
I materiali possono condurre il calore a causa della loro struttura interna. Gli atomi di qualsiasi materia solida a una temperatura diversa dallo zero assoluto vibrano attorno alla loro posizione di equilibrio. Tale movimento può propagarsi nello spazio da un atomo all'altro. Per descrivere più convenientemente i processi di trasferimento dell'energia vibrazionale, gli scienziati hanno introdotto una nuova quasiparticella (una particella che può essere considerata contemporaneamente come un'onda): un fonone.
Per questo, le proprietà dei fononi sono utilizzate nella fisica dello stato solido. All'aumentare della temperatura, aumenta l'ampiezza delle vibrazioni atomiche nel reticolo cristallino. Gli atomi riscaldati emettono più fononi. I fononi vengono trasferiti attraverso il reticolo cristallino e gli atomi in tutto il materiale iniziano a vibrare con maggiore ampiezza. Un aumento dell'ampiezza di vibrazione degli atomi del reticolo cristallino corrisponde ad un aumento della temperatura del solido.
La teoria esistente del trasferimento di calore afferma che i fononi trasferiscono l'energia termica nei solidi, per analogia con il modo in cui i fotoni trasferiscono l'energia luminosa. Inoltre, questa teoria tiene conto del fatto che i fononi possono essere dispersi a causa di collisioni con difetti del reticolo cristallino. Durante la sua dispersione, il fonone può cambiare la direzione del movimento, complicando così il processo di trasferimento del calore. Questa teoria descrive bene la propagazione del calore in corpi contenenti un gran numero di difetti, ma non funziona bene nel caso di cristalli ultrapuri (cristalli veri, il cui numero di difetti è minimo).
Gli scienziati dell'SPbPU di Pietro il Grande hanno creato un modello matematico che descrive il trasferimento di energia termica nei solidi sulla base della teoria della conduttività termica balistica che stanno sviluppando. Questa teoria considera i cristalli privi di difetti come una raccolta di particelle collegate da legami che possono allungarsi e contrarsi. Durante l'esecuzione di calcoli utilizzando questo modello, gli scienziati hanno scoperto che il trasferimento di calore nei cristalli ultrapuri è associato alla libera propagazione dei fononi. Le teorie esistenti sul trasferimento di calore non sono applicabili in questo caso.
Propagazione del disturbo termico in un reticolo quadrato che esegue vibrazioni trasversali / Anton Krivtsov / indicator.ru
I ricercatori devono ancora completare la creazione della teoria della conducibilità termica balistica e nel loro lavoro attuale hanno descritto l'apparato matematico che ne è alla base. Usando l'esempio di un cristallo superpuro, gli scienziati hanno dimostrato che il modello da loro creato descrive bene le presunte proprietà di un sistema fisico, ma in alcuni aspetti contraddice la teoria classica. Se gli scienziati riusciranno a dimostrare che l'apparato matematico che hanno creato è in grado di descrivere gli effetti osservati nella realtà meglio del modello esistente, allora in futuro sarà in grado di sostituire la teoria classica. I ricercatori di SPbPU, insieme ai colleghi dell'Università tecnica di Berlino, si stanno già preparando per un esperimento che metterà alla prova le previsioni della nuova teoria.
“Presto creeremo una teoria della propagazione balistica del calore nei materiali ultrapuri. La teoria consentirà lo sviluppo di metodi efficienti di rimozione del calore utilizzando le proprietà termiche uniche dei materiali ultrapuri, che è già possibile ottenere utilizzando le moderne tecnologie. Ciò aprirà prospettive per la creazione di nuovi materiali da utilizzare nei circuiti di raffreddamento di varie apparecchiature , afferma uno degli autori dello studio, membro corrispondente dell'Accademia delle scienze russa, dottore in scienze fisiche e matematiche, il professor Anton Krivtsov.
Video promozionale:
