Les scientifiques ont vu quelque chose de magique se produire à l'intérieur du graphite, l'étoffe dont votre mine de crayon est faite: la chaleur se déplaçait par vagues à la vitesse du son.
C'est assez rad pour deux raisons: la chaleur n'est pas censée se déplacer comme une vague - elle se diffuse généralement et rebondit sur les molécules agitées dans toutes les directions; Si la chaleur peut se déplacer comme une onde, elle peut s'éloigner massivement dans une direction de sa source, sorte de zapping d'énergie à la fois d'un objet. Un jour, ce comportement de transfert de chaleur dans le graphite pourrait être utilisé pour refroidir la microélectronique en un clin d'œil. Autrement dit, s'ils peuvent le faire fonctionner à une température raisonnable (ils travaillaient à des températures glaciales de moins 240 degrés Fahrenheit, ou moins 151 degrés Celsius).
"Si cela arrive à la température ambiante dans certains matériaux, alors il y aurait des perspectives pour certaines applications", a déclaré Keith Nelson, un chimiste du MIT, à Live Science, ajoutant que c'est la température la plus élevée que quiconque ait vu ce comportement se produire.
Montez dans le train de chaleur
Les chercheurs ont décrit le mouvement de chaleur «normal» à l'aide d'une bouilloire chauffée - Après avoir éteint le brûleur, cette énergie thermique empêche les molécules d'air de se heurter les unes aux autres et de transmettre la chaleur au cours du processus. Ces molécules rebondissent dans toutes les directions; certaines de ces molécules se dispersent directement dans la bouilloire. Au fil du temps, l'eau de la bouilloire et les environs atteignent l'équilibre à la même température.
Dans les solides, les molécules ne bougent pas parce que les atomes sont verrouillés en position. "La chose qui peut bouger, ce sont les ondes sonores", a déclaré Nelson, qui s'est entretenu avec Live Science avec le co-auteur Gang Chen, ingénieur en mécanique au MIT.
Plutôt, chauffez des sauts sur des phonons ou de petits paquets de vibrations sonores; les phonons peuvent rebondir et se disperser, transportant une sorte de chaleur comme le font les molécules d'air de la bouilloire.
Une étrange vague de chaleur
Ce n'est pas ce qui s'est passé dans cette nouvelle expérience.
Des travaux théoriques antérieurs de Chen avaient prédit que la chaleur pourrait se déplacer comme une vague en se déplaçant à travers du graphite ou du graphène. Pour tester cela, les chercheurs du MIT ont croisé deux faisceaux laser à la surface de leur graphite, créant ce qu'on appelle un motif d'interférence dans lequel il y avait des lignes de lumière parallèles et aucune lumière. Cela a créé le même motif de régions chauffées et non chauffées à la surface du graphite. Ensuite, ils ont dirigé un autre faisceau laser sur l'installation pour voir ce qui s'est passé une fois qu'il a frappé le graphite.
"Normalement, la chaleur se diffuserait progressivement des régions chauffées vers les régions non chauffées, jusqu'à ce que le modèle de température soit emporté", a déclaré Nelson. "Au lieu de cela, la chaleur a circulé des régions chauffées aux régions non chauffées, et a continué à circuler même après que la température a été égalisée partout, de sorte que les régions non chauffées étaient en fait plus chaudes que les régions initialement chauffées." Les régions chauffées, quant à elles, sont devenues encore plus fraîches que les régions non chauffées. Et tout s'est passé à une vitesse vertigineuse - à peu près à la même vitesse que le son se déplace normalement dans le graphite.
"La chaleur a circulé beaucoup plus rapidement parce qu'elle se déplaçait comme une vague sans se diffuser", a déclaré Nelson à Live Science.
Comment ont-ils pu faire que ce comportement étrange, que les scientifiques appellent "second son", se produise dans le graphite?
"D'un point de vue fondamental, ce n'est tout simplement pas un comportement ordinaire. Le deuxième son n'a été mesuré que dans une poignée de matériaux, à n'importe quelle température. Tout ce que nous observons qui sort de l'ordinaire nous met au défi de le comprendre et de l'expliquer", a déclaré Nelson. .
Voici ce qu'ils pensent: le graphite, ou un matériau 3D, a une structure en couches dans laquelle les couches minces de carbone savent à peine que l'autre est là, et donc ils se comportent en quelque sorte comme du graphène, qui est un matériau 2D. En raison de ce que Nelson appelle cette «faible dimensionnalité», les phonons transportant la chaleur dans une couche du graphite sont beaucoup moins susceptibles de rebondir et de se disperser sur d'autres couches. En outre, les phonons qui peuvent se former dans le graphite ont des longueurs d'onde qui sont généralement trop grandes pour se refléter en arrière après avoir percuté des atomes dans le réseau, un phénomène connu sous le nom de rétrodiffusion. Ces petits paquets sonores se dispersent un peu, mais voyagent principalement dans une direction, ce qui signifie qu'en moyenne, ils peuvent parcourir une grande distance beaucoup plus rapidement.
Note de l'éditeur: Cet article a été mis à jour pour clarifier certaines des méthodes de l'expérience et le fait que la chaleur a voyagé à peu près à la même vitesse que le son traverserait le graphite, pas l'air, comme cela a été indiqué précédemment.
