Kun lämpö virtaa kuin vesi

EPFL:n tutkijat ovat osoittaneet teoreettisesti, että erittäin järjestäytyneissä materiaaleissa lämpö voi virrata lämpimämpiin alueisiin rikkomatta termodynamiikan lakeja. Heidän työnsä voisi auttaa suunnittelemaan elektroniikkaa, joka minimoi lämpöhäviöt.

Ymmärtääksesi, miten lämpö normaalisti virtaa, voisit tutkia termodynamiikan toista pääsääntöä – tai kietoa kätesi kuuman kahvimukin ympärille. Molemmat kertovat meille, että lämpö pyrkii virtaamaan viileämpiin alueisiin.

Kun materiaalin lämpöenergia kasvaa, sen atomit värähtelevät, ja kvanttimekaniikka kuvaa näitä värähtelyjä fononeina: kvasihiukkasina, jotka kuljettavat lämpöä. Normaalisti fononien väliset törmäykset aiheuttavat lämmön hitaan haihtumisen. Mutta erittäin järjestäytyneissä, puhtaissa kiteissä nämä törmäykset voivat johtaa nestemäiseen, suunnattuun lämpövirtaukseen, joka tunnetaan fononihydrodynamiikkana.

EPFL:n Nicola Marzarin johtaman materiaalien teorian ja simuloinnin ryhmän tutkijat ovat teoreettisesti osoittaneet, että hydrodynaaminen lämpövirtaus voi saada lämmön pyörteiksi ja jopa siirtymään viileämmiltä alueilta takaisin lämpimämpiin.

Simulaatioiden avulla he osoittavat, kuinka hydrodynaaminen lämpövirtaus maksimoidaan kiteisen grafiitin 2D-nauhassa. Sen lisäksi, että heidän analyyttinen mallinsa paljastaa tämän ilmiön taustalla olevan fysiikan ensimmäistä kertaa, se tarjoaa tehokkaan työkalun lämmön "takaisinvirtauksen" valjastamiseen lämpöenergian hallintaan elektronisissa laitteissa.

”Aiempi työ perustui numeeriseen mallintamiseen, joka kuvaa lämpötilamalleja, mutta ei täysin selitä, miten fyysiset suureet vaikuttavat toisiinsa”, selittää ensimmäinen kirjoittaja Enrico Di Lucente. ”Analyyttisen viitekehyksemme ansiosta olemme osoittaneet, että lämmön takaisinvirtaus on maksimoitu, kun virtaus on lähes kokoonpuristumaton. Lähestymistapamme avulla voimme ohjata kokeilijoita kehittämään elektronisia laitteita, jotka hyödyntävät tätä ilmiötä lämmön tehokkaampaan hallintaan.”

Tutkijoiden mukaan heidän työnsä voisi vaikuttaa lämmönhallintaan useilla eri aloilla, aina kulutuselektroniikasta ja teollisuudesta energian varastointiin, datakeskuksiin ja pilvipalveluihin.

Aiheesta aiemmin:

Elektronien ja fononien ennustetaan virtaavan kuin vesi 2D-puolijohteissa