好極了！科學(xué)家發(fā)現(xiàn)石墨中的熱量在室溫下以聲速運(yùn)動

好極了！科學(xué)家發(fā)現(xiàn)石墨中的熱量在室溫下以聲速運(yùn)動

麻省理工學(xué)院（Massachusetts Institute of Technology）的研究生瑞安·鄧肯（Ryan Duncan）剛剛進(jìn)行了一項(xiàng)新的石墨實(shí)驗(yàn)，結(jié)果令人難以置信：石墨通常以聲速通過，熱量緩慢散開，就像在熱爐上放一盆水。它幾乎瞬間沸騰。

為了確保他沒有犯任何錯誤，鄧肯對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了四次檢查，進(jìn)行了另一次實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了心理健康休息。第二天早上，當(dāng)他在電腦前時(shí)，他面臨著同樣的結(jié)果：熱度仍在快速移動。

這種被稱為第二聲的現(xiàn)象，部分地激發(fā)了物理學(xué)家的興趣，因?yàn)樗鼮橄冗M(jìn)的微電子技術(shù)鋪平了道路。

空氣通過分子傳導(dǎo)熱量，分子之間相互碰撞，并向各個方向（向前、側(cè)向甚至向后）散發(fā)熱量，這種方法基本上效率低下，導(dǎo)致熱傳導(dǎo)相對較慢（相反，輻射熱可以作為紅外輻射以光速傳播）。

固體中的熱運(yùn)動同樣緩慢。在固體中，聲子（晶格振動的正常模式能量量子）在空氣中攜帶類似分子的熱量，向各個方向散射并緩慢分散。麻省理工學(xué)院基思·納爾遜說：這有點(diǎn)像你在水中滴入一滴食用色素，然后它就擴(kuò)散了。它不會像你把它放在哪里一樣直接移動。箭

但這正是鄧肯實(shí)驗(yàn)所發(fā)現(xiàn)的，在第二個聲音中，聲子的后向散射被嚴(yán)重抑制，使得熱量向前散發(fā)。

尼爾森說：這就是波的表現(xiàn)方式。如果你在游泳池里揮手，它就會離開你的位置。但是熱的表現(xiàn)是不正常的。

在大多數(shù)情況下，不會有第二聲，第二聲是75年前在液氦中首次檢測到的，后來在三種固體中觀察到的。

尼爾森說：早期的證據(jù)表明，這種情況實(shí)際上只限于極少數(shù)的材料，而且只能在極低的溫度下使用，因此科學(xué)家認(rèn)為第二次聲音研究已經(jīng)結(jié)束。

瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院（Swiss Federal Institute of Technology）的材料科學(xué)家尼古拉馬爾扎里（Nicola Marzari）說：目前還不清楚第二聲和麻省理工學(xué)院（MIT）的研究結(jié)果之間有什么區(qū)別。整個研究領(lǐng)域已經(jīng)休眠多年了。

但大約五年前，數(shù)值模擬的重大改進(jìn)幫助這一領(lǐng)域的研究恢復(fù)，使科學(xué)家意識到這種現(xiàn)象可能更為普遍。例如，麻省理工學(xué)院工程師陳剛（音譯）建議，在室溫下，石墨中可能會出現(xiàn)第二種聲音。

首先，鄧肯用兩個交叉的激光束將熱量沉積到石墨樣品中，以產(chǎn)生干涉圖樣（在碰撞波中，暗區(qū)和光區(qū)交替對應(yīng)峰值和波谷）。首先，峰值加熱石墨，波谷保持冷卻。但一旦鄧肯關(guān)閉激光，模式開始隨著熱流緩慢減弱。從熱峰到冷卻槽。一旦整個樣品達(dá)到一個均勻的溫度，實(shí)驗(yàn)就完成了。當(dāng)激光停止發(fā)光時(shí)，石墨繼續(xù)讓熱流動，直到熱峰比冷卻槽更冷。兩者都是驚人的逆轉(zhuǎn)，類似于波的波動。

這一發(fā)現(xiàn)在將來可能會有實(shí)際的應(yīng)用。石墨是一種常見的材料，不需要先前考慮的低溫條件。這兩個特點(diǎn)可能有助于工程師克服當(dāng)今微電子技術(shù)中難以克服的熱管理問題。

想象一下，如果以聲速散熱，冷卻材料和設(shè)備的速度會更快。這樣的技術(shù)進(jìn)步肯定會使工程師們建立更小、更有效的微電子技術(shù)。

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