Ученые обнаружили исключение из 200-летнего научного закона, регулирующего распространение тепла через твердые материалы. Новое исследование опубликовано в PNAS.
Известный как закон Фурье, он описывает, как тепло передается или проводится через твердые материалы. Когда молекулы вибрируют, а электроны перемещаются, тепло распространяется от более горячего конца объекта к более холодному со скоростью, пропорциональной разнице температур и площади, через которую проходит тепло.
Однако за последние несколько десятилетий исследователи обнаружили, что на наноуровне эта модель диффузии не работает; Закон Фурье нарушается и больше не предсказывает, насколько быстро или медленно тепло будет проходить через твердый материал.
Физик-полимерщик Кайкай Чжэн из Массачусетского университета в Амхерсте и его коллеги задались вопросом, могут ли быть подобные исключения из закона Фурье, которые можно найти на макроуровне, в прозрачных материалах, таких как полупрозрачные полимеры и неорганические стекла.
Будучи полупрозрачными, эти материалы пропускают свет некоторых длин волн. Хотя свет не полностью поглощается, как в непрозрачных материалах, он рассеивается, отражаясь от примесей в структуре материала.
Это заставило Чжэна и его коллег выдвинуть гипотезу о том, что помимо распространения тепла через эти твердые материалы их прозрачность может также позволять тепловой энергии проходить через материалы в форме теплового излучения. Лучистое тепло переносится по воздуху в виде электромагнитных волн, в основном инфракрасного излучения, примером может служить тепло, которое мы ощущаем от солнечных лучей.
«Это исследование началось с простого вопроса», — объясняет старший автор Стив Граник, ученый-материаловед из Массачусетского университета в Амхерсте. «Что, если тепло могло бы передаваться через твердые тела другим путем, а не только тем, который предполагали люди?»
Поэтому исследователи зажали полоски тестовых материалов и подвешивали их одну за другой внутри специально изготовленной вакуумной камеры. Вакуум устранил возможность рассеивания тепла от материалов через воздух.
«Обнаружение нарушений [закона Фурье] в макроскопических масштабах было бы поразительным, поскольку это выходило бы за рамки стандартного мышления в учебниках», — пишут исследователи в своей статье, размышляя о своем мышлении перед экспериментами.
Команда обстреливала материалы импульсами лазера за доли секунды, чтобы нагреть их, и измерила, как тепло распространяется через каждый из материалов, используя три метода: датчик температуры, помещенный непосредственно на поверхность материала; измерение изменения цвета термочувствительного покрытия, нанесенного на образец; и инфракрасная камера.
«Данные показывают, что нагрев происходил быстрее, чем можно было бы объяснить диффузией», — пишут исследователи, — «указывая на то, что излучение вносит значительный вклад в тепловой поток в ранние периоды после теплового импульса, хотя относительный вклад излучения уменьшается по мере того, как диффузия становится доминирующей при более поздние времена».
«Дело не в том, что закон Фурье неверен, — поясняет Граник, — просто он не объясняет всего, что мы видим, когда речь идет о передаче тепла».
Команда предполагает, что полупрозрачные материалы излучают тепло внутрь, потому что структурные несовершенства действуют как поглотители и источники тепла, позволяя теплу распространяться от точки к точке, а не медленно рассеиваться.
Они добавляют, что их результаты могут помочь инженерам разработать новые стратегии управления теплом в полупрозрачных материалах, теперь, когда их исследование обеспечивает расширенное понимание того, как тепло распространяется в твердых телах – примерно через 200 лет после того, как это явление было впервые описано в математических терминах.
