MIT (Massacusetts Institute of Technology) teadlane avastas soojuse juhtimise viisi, mis sarnaneb paljuski elektromagnetlainete mõjutamisele läätsede ja peeglitega.
Teadustöös kasutatud joonis termovõrest.
Tahkisesisese temperatuuri kasvu põhjustavad aatomite võnkumised. Tekkiv soojusenergia kandub sarnaselt helienergia levikuga osakeselt osakesele. Mikroosakeste võnkeid saab vaadelda foononite voona.
Foonon on virtuaalne osake, mis sarnaneb valgusfootonile. MIT eksperimentides kasutatud fookustav materjal on tehtud nanostruktuuriga pooljuhtsulami kristallist ning sarnaneb seetõttu hiljuti arendatud fotooniliste kristallidele, millega juhtiakse valguse ja heli levikut.
11. jaanuaril teadusajakirjas Physical Review Letters ilmunud artikli autor ning MIT materjaliteaduse osakonna teadur Martin Maldovad seletas ajakirjanikele antud intervjuus, et fookustamise üdiks on uue materjali nanostruktuuri täpne häälestatus soojusfoononite lainepikkusele
„Heli ja soojuse levikusagedused on erinevad. Helilained levivad kilohertssagedusribas, soojus aga kõrgematel terahertssagedustel,“ seletas Maldovan.
Uute helileviku tehnikate kasutamiseks pidi Maldovan ennekõike vähendama soojusfoononite levikusagedust nii, et see oleks lähedane heli levimise sagedusalale. Maldovan nimetas moduleeritud soojust üleheliliseks soojuseks (hypersonic heat).
„Helifoononid võivad levikeskkonnas läbida kilomeetreid, soojusfoononid aga vaid nanomeetrites mõõdetavaid vahemaid. Sestap ei ole soojust kuulda isegi selleks kohandatud kõrvadega,“ kommenteeris Maldovan.
Soojuse fookustamise teeb veelgi keerulisemaks selle leviku lai sagedusspekter. Heli võib seevastu levida monosagedusel. „Esiteks pidime alandama soojuslevi sagedusspektri heli-ja soojuslainete sageduspiirile. Seda tehti hoolikalt valmistatud suurusega germaanium-nanoosakestega dopeeritud ränisulamite abil,“ lisas Maldovan.
Soojuse sagedusspektrit kitsendati õhukeste sulamimaterjali kiledega nii, et foononite hajumine toimuks kilede kontaktpunktides.
Meetodiga on võimalik fookustada ja hülehelikiiruse sagedusalasse, 100-300 GhZ, suunata enam kui 40% materjali kogusoojusest.
Kitsast madalsageduslikku soojusfoononite voogu saab juhtida fotooniliste kristallide abil. Kristallide uutmoodi otstarbe tähistamiseks nimetas Maldovan need ümber termokristallideks, mis on ühtlasi uus materjaliklass.
Termokristallidel on teoreetiliselt lai kasutusvaldkond. Näiteks on nende abil võimalik valmistada termoelektrilisi seadmed, mis muudavad kontaktpindade temperatuurierinevuse elektromotoorjõuks. Need seadmed juhivad hästi nii elektrit kui soojusvoogu.
Veel saaks kristalle kasutada termaaldioodide valmistamiseks. Harjumuspärastes materjalides levib soojus igas ruumisuunas, termodioodides seevastu vaid ühes. Tulevikunägemuses oleks võimalik ehitada efektiivsemaid elamuid vastavalt kas sooja või külma kliimasse.
Soojuse fookustamiseks on võimalik kasutada teisigi uue materjaliklassi alaliike, millest on teoreetiliselt võimalik valmistada soojusvarjesteid. Maldovani sõnul takistavad termovarjestid soojuse levikut, teisalt ka selle tuvastamist.
Allikas: Phys.org
Leave a Reply