La prossima volta che metti a bollire un bollitore, considerare questo scenario:dopo aver spento il bruciatore, invece di stare al caldo e riscaldare lentamente la cucina e i fornelli circostanti, il bollitore si raffredda rapidamente a temperatura ambiente e il suo calore si disperde sotto forma di un'onda bollente.

Sappiamo che il calore non si comporta in questo modo nel nostro ambiente quotidiano. Ma ora i ricercatori del MIT hanno osservato questa modalità apparentemente non plausibile di trasporto del calore, noto come "secondo suono, " in un materiale piuttosto comune:la grafite, la materia della mina.

A temperature di 120 kelvin, o -240 gradi Fahrenheit, hanno visto segni evidenti che il calore può viaggiare attraverso la grafite con un movimento ondulatorio. I punti che erano originariamente caldi vengono lasciati immediatamente freddi, mentre il calore si muove attraverso il materiale a una velocità prossima a quella del suono. Il comportamento ricorda il modo ondulatorio in cui il suono viaggia nell'aria, così gli scienziati hanno soprannominato questa modalità esotica di trasporto del calore "secondo suono".

I nuovi risultati rappresentano la temperatura più alta alla quale gli scienziati hanno osservato il secondo suono. Cosa c'è di più, la grafite è un materiale disponibile in commercio, in contrasto con più puro, materiali difficili da controllare che hanno mostrato un secondo suono a 20 K, (-420 F):temperature che sarebbero troppo fredde per eseguire qualsiasi applicazione pratica.

La scoperta, pubblicato in Scienza , suggerisce che la grafite, e forse il suo parente ad alte prestazioni, grafene, può rimuovere efficacemente il calore nei dispositivi microelettronici in un modo che prima non era riconosciuto.

"C'è un'enorme spinta a rendere le cose più piccole e più dense per dispositivi come i nostri computer e l'elettronica, e la gestione termica diventa più difficile a queste scale, "dice Keith Nelson, l'Haslam e Dewey Professore di Chimica al MIT. "Ci sono buone ragioni per credere che il secondo suono potrebbe essere più pronunciato nel grafene, anche a temperatura ambiente. Se si scopre che il grafene può rimuovere efficacemente il calore sotto forma di onde, sarebbe sicuramente meraviglioso".

Il risultato è nato da una collaborazione interdisciplinare di lunga data tra il gruppo di ricerca di Nelson e quello di Gang Chen, il professore di ingegneria meccanica e ingegneria energetica Carl Richard Soderberg. I coautori del MIT sull'articolo sono gli autori principali Sam Huberman e Ryan Duncan, Ke Chen, Bai canzone, Vazrik Chiloyan, Zhiwei Ding, e Alexei Maznev.

"Nella corsia preferenziale"

Normalmente, il calore viaggia attraverso i cristalli in maniera diffusiva, trasportato da "fononi, " o pacchetti di energia vibrazionale acustica. La struttura microscopica di qualsiasi solido cristallino è un reticolo di atomi che vibrano mentre il calore si muove attraverso il materiale. Queste vibrazioni reticolari, i fononi, alla fine portano via il calore, diffondendolo dalla sua fonte, anche se quella fonte rimane la regione più calda, proprio come un bollitore che si raffredda gradualmente su un fornello.

Il bollitore rimane il punto più caldo perché poiché il calore viene portato via dalle molecole nell'aria, queste molecole sono costantemente disperse in ogni direzione, compreso di nuovo verso il bollitore. Questo "back-scattering" si verifica anche per i fononi, mantenendo la regione riscaldata originale di un solido il punto più caldo anche se il calore si diffonde.

Però, in materiali che esibiscono un secondo suono, questa retrodiffusione è pesantemente soppressa. I fononi invece conservano lo slancio e sfrecciano via in massa, e il calore immagazzinato nei fononi viene trasportato come un'onda. Così, il punto che era originariamente riscaldato viene raffreddato quasi istantaneamente, vicino alla velocità del suono.

Il precedente lavoro teorico nel gruppo di Chen aveva suggerito che, entro un intervallo di temperature, i fononi nel grafene possono interagire prevalentemente in un modo che conserva la quantità di moto, indicando che il grafene può esibire un secondo suono. L'anno scorso, Huberman, un membro del laboratorio di Chen, era curioso di sapere se questo potesse essere vero per materiali più comuni come la grafite.

Basandosi su strumenti precedentemente sviluppati nel gruppo di Chen per il grafene, ha sviluppato un modello intricato per simulare numericamente il trasporto di fononi in un campione di grafite. Per ogni fonone, ha tenuto traccia di ogni possibile evento di dispersione che potrebbe aver luogo con ogni altro fonone, in base alla loro direzione ed energia. Ha eseguito le simulazioni su un intervallo di temperature, da 50 K a temperatura ambiente, e ha scoperto che il calore potrebbe fluire in modo simile al secondo suono a temperature comprese tra 80 e 120 K.

Huberman aveva collaborato con Duncan, nel gruppo di Nelson, su un altro progetto. Quando ha condiviso le sue previsioni con Duncan, lo sperimentatore decise di mettere alla prova i calcoli di Huberman.

"È stata una collaborazione straordinaria, " Dice Chen. "Ryan ha praticamente lasciato perdere tutto per fare questo esperimento, in pochissimo tempo».

"Eravamo davvero nella corsia preferenziale con questo, " aggiunge Duncan.

Rovesciare la norma

L'esperimento di Duncan era incentrato su un piccolo, Campione di 10 millimetri quadrati di grafite disponibile in commercio.

Utilizzando una tecnica chiamata reticolo termico transitorio, ha incrociato due raggi laser in modo che l'interferenza della loro luce generasse un motivo a "ripple" sulla superficie di un piccolo campione di grafite. Le regioni del campione sottostanti le creste dell'ondulazione sono state riscaldate, mentre quelli che corrispondevano alle depressioni dell'increspatura rimasero non riscaldati. La distanza tra le creste era di circa 10 micron.

Duncan ha quindi puntato sul campione un terzo raggio laser, la cui luce era diffratta dall'increspatura, e il suo segnale è stato misurato da un fotorilevatore. Questo segnale era proporzionale all'altezza del modello di ripple, che dipendeva da quanto più calde fossero le creste degli avvallamenti. In questo modo, Duncan potrebbe monitorare come il calore scorreva attraverso il campione nel tempo.

Se il calore dovesse fluire normalmente nel campione, Duncan avrebbe visto le increspature della superficie diminuire lentamente man mano che il calore si spostava dalle creste agli avvallamenti, lavando via l'increspatura. Anziché, ha osservato "un comportamento completamente diverso" a 120 K.

Piuttosto che vedere le creste decadere gradualmente allo stesso livello delle depressioni mentre si raffreddavano, le creste in realtà sono diventate più fredde degli avvallamenti, in modo che il modello di increspatura fosse invertito, il che significa che per un po' di tempo, il calore in realtà fluiva dalle regioni più fredde verso le regioni più calde.

"Questo è completamente contrario alla nostra esperienza quotidiana, e al trasporto termico in quasi tutti i materiali a qualsiasi temperatura, "Duncan dice. "Questo sembrava davvero come secondo suono. Quando ho visto questo ho dovuto sedermi per cinque minuti, e mi sono detto, "Questo non può essere reale." Ma ho eseguito l'esperimento durante la notte per vedere se è successo di nuovo, e si è rivelato molto riproducibile."

Secondo le previsioni di Huberman, relativo bidimensionale della grafite, grafene, può anche esibire proprietà di secondo suono a temperature ancora più elevate che si avvicinano o superano la temperatura ambiente. Se questo è il caso, che hanno intenzione di testare, allora il grafene può essere un'opzione pratica per raffreddare dispositivi microelettronici sempre più densi.

"Questo è uno dei pochi momenti salienti della carriera a cui guarderei, dove i risultati sconvolgono davvero il modo in cui normalmente pensi a qualcosa, " Dice Nelson. "È reso più eccitante dal fatto che, a seconda di dove va da qui, potrebbero esserci applicazioni interessanti in futuro. Non c'è dubbio da un punto di vista fondamentale, è davvero insolito ed emozionante."