Ny indsigt styrker Einsteins idé om, hvordan varme bevæger sig gennem faste stoffer

En opdagelse af forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory understøtter en århundredgammel teori af Albert Einstein, der forklarer, hvordan varme bevæger sig gennem alt fra rejskrus til motordele.

Overførsel af varme er grundlæggende for alle materialer. Denne nye forskning, offentliggjort i tidsskriftet Videnskab , udforskede varmeisolatorer, som er materialer, der blokerer overførsel af varme.

"Vi så beviser for, hvad Einstein først foreslog i 1911 - at varmeenergi hopper tilfældigt fra atom til atom i varmeisolatorer, "sagde Lucas Lindsay, materialeteoretiker hos ORNL. "Hopningen er ud over den normale varmestrøm gennem atomernes kollektive vibration."

Den tilfældige energihoppning er ikke mærkbar i materialer, der leder varme godt, som kobber på bunden af ​​gryder under tilberedning, men kan påvises i faste stoffer, der er mindre i stand til at overføre varme.

Denne observation fremmer forståelsen af ​​varmeledning i varmeisolatorer og vil hjælpe med at opdage nye materialer til applikationer fra termoelektriske materialer, der genvinder spildvarme til barrierebelægninger, der forhindrer overførsel af varme.

Lindsay og hans kolleger brugte sofistikerede vibrationssensorværktøjer til at registrere bevægelse af atomer og supercomputere til at simulere varmenes rejse gennem en simpel thalliumbaseret krystal. Deres analyse afslørede, at atomvibrationerne i krystalgitteret var for langsomme til at overføre meget varme.

"Vores forudsigelser var to gange lavere, end vi observerede fra vores eksperimenter. Vi var oprindeligt forbløffede, "Lindsay sagde." Dette førte til iagttagelsen af, at en anden varmeoverførselsmekanisme skal være i spil. "

At vide, at den anden varmeoverførselskanal med tilfældig energihopping eksisterer, vil informere forskere om, hvordan man vælger materialer til varmestyringsapplikationer. Dette fund, hvis anvendt, kan reducere energiomkostningerne drastisk, kulstofemissioner og spildvarme.

Mange nyttige materialer, såsom silicium, har et kemisk bundet gitterværk af atomer. Varme føres normalt gennem dette gitter ved atomvibrationer, eller lydbølger. Disse varmebærende bølger støder ind i hinanden, hvilket bremser varmeoverførslen.

"Det thalliumbaserede materiale, vi undersøgte, har en af ​​de laveste varmeledningsevner for enhver krystal, "Sagde Lindsay." Meget af den vibrerende energi er begrænset til enkeltatomer, og energien hopper derefter tilfældigt gennem krystallen. "

"Både lydbølgerne og heat-hop-mekanismen, der først blev teoretiseret af Einstein, kendetegner en to-kanals model, og ikke kun i dette materiale, men i flere andre materialer, der også viser ultralav ledningsevne, "sagde ORNL -materialeforsker David Parker.

For nu, varme-hopping er muligvis kun påviselig i fremragende varmeisolatorer. "Imidlertid, denne varmehoppekanal kan meget vel være til stede i andre krystallinske faste stoffer, skabe en ny håndtag til styring af varme, " han sagde.

Undersøgelsens ledende medforfatter var Saikat Mukhopadhyay, en tidligere postdoc -forskningsassistent ved ORNL og i øjeblikket en forskningsassistent fra National Research Council ved U.S. Naval Research Laboratory.

Yderligere medforfattere af papiret med titlen, "To-kanals model til ultralav varmeledningsevne af krystallinsk Tl3VSe4, "inkluderet ORNL's David S. Parker, Brian C. Salg, Alexander A. Puretzky, Michael A. McGuire og Lucas Lindsay.