Эти два фундаментальных процесса теплопередачи объясняют, как энергия перемещается на микроскопические и макроскопические расстояния. Но исследователям было трудно установить, как тепло проходит через промежуточные промежутки.Теперь исследователи из Массачусетского технологического института, Университета Оклахомы и Университета Рутгерса разработали модель, которая объясняет, как потоки тепла между объектами, разделенными зазорами менее нанометра.
Команда разработала единую структуру, которая рассчитывает перенос тепла в конечных зазорах, и показала, что тепловой поток на субнанометровых расстояниях происходит не за счет излучения или проводимости, а через «туннелирование фононов».Фононы представляют собой единицы энергии, производимые колеблющимися атомами в кристаллической решетке. Например, монокристалл поваренной соли содержит атомы натрия и хлорида, расположенные в виде решетки. Вместе атомы вибрируют, создавая механические волны, которые могут переносить тепло по решетке.
Обычно эти волны или фононы способны переносить тепло только внутри материалов, но не между ними. Однако новое исследование показывает, что фононы могут проникать через зазор размером в нанометр, «туннелируя» от одного материала к другому, чтобы улучшить перенос тепла.Исследователи считают, что фононное туннелирование объясняет физическую механику переноса энергии в этом масштабе, который нельзя однозначно отнести ни к проводимости, ни к излучению.
«Это как раз в режиме, когда язык проводимости и излучения размывается», — говорит Вазрик Чилоян, аспирант Массачусетского технологического института по специальности «машиностроение». «Мы пытаемся составить ясную картину того, что представляет собой физика в этом режиме. Теперь мы собрали информацию, чтобы продемонстрировать, что туннелирование — это, по сути, то, что происходит для картины теплопередачи».
Чилоян и Ганг Чен, профессор энергетики Карла Ричарда Содерберга и глава отдела машиностроения Массачусетского технологического института, публикуют свои результаты на этой неделе в Nature Communications.Очистка теплового изображенияВ последние несколько десятилетий исследователи пытались определить перенос тепла на все меньшие расстояния.
Несколько групп, в том числе группа Чена, экспериментально измерили тепловой поток за счет теплового излучения через зазоры размером в десятки нанометров. Однако по мере того, как эксперименты переходят к еще меньшему расстоянию, исследователи ставят под сомнение обоснованность текущих теорий: существующие модели в значительной степени основаны на теориях теплового излучения, которые, по словам Чилояна, «размывают атомные детали», упрощая поток тепла от атома к атому. .Напротив, существует теория теплопроводности, известная как функции Грина, которая описывает тепловой поток на атомарном уровне для контактирующих материалов.
Теория позволяет исследователям рассчитать частоту колебаний, которые могут проходить через границу раздела двух материалов.«Но с функциями Грина межатомные взаимодействия имеют тенденцию прекращаться после нескольких соседей …
Вы искусственно предсказываете нулевую теплопередачу после нескольких разделений атомов», — говорит Чилоян. «Чтобы реально предсказать теплопередачу через зазор, необходимо учесть электромагнитные силы дальнего действия».Обычно электромагнитные силы можно описать уравнениями Максвелла — набором из четырех фундаментальных уравнений, описывающих поведение электричества и магнетизма.
Однако, чтобы объяснить теплопередачу в микроскопическом масштабе, Чилоян и Чен должны были откопать менее известную форму, известную как микроскопические уравнения Максвелла.«Большинство людей, вероятно, не знают, что существует микроскопическое уравнение Максвелла, и нам пришлось перейти на этот уровень, чтобы преодолеть атомную картину», — говорит Чен.Преодоление разрываКоманда разработала модель переноса тепла, основанную как на функциях Грина, так и на микроскопических уравнениях Максвелла.
Исследователи использовали эту модель для прогнозирования теплового потока между двумя решетками хлорида натрия или поваренной соли, разделенными зазором шириной в несколько нанометров.С помощью этой модели Чилоян и Чен смогли рассчитать и суммировать электромагнитные поля, излучаемые отдельными атомами, на основе их положения и сил внутри каждой решетки.
В то время как атомные колебания или фононы обычно не могут переносить тепло на расстояния, превышающие несколько атомов, команда обнаружила, что суммарная электромагнитная сила атомов может создать «мост» для пересечения фононов.При моделировании теплового потока между двумя решетками хлорида натрия исследователи обнаружили, что тепло перетекает от одной решетки к другой через туннелирование фононов с зазорами в один нанометр и меньше.
При субнанометровых промежутках «это режим, при котором нам не хватает правильного языка», — говорит Чен. «Теперь мы разработали основу для объяснения этого фундаментального перехода, устраняющего этот пробел».