La próxima vez que ponga una tetera a hervir, considere este escenario:Después de apagar el quemador, en lugar de permanecer caliente y calentar lentamente la cocina y la estufa circundantes, la tetera se enfría rápidamente a temperatura ambiente y su calor se disipa en forma de una ola hirviente.

Sabemos que el calor no se comporta de esta manera en nuestro entorno diario. Pero ahora los investigadores del MIT han observado este modo aparentemente inverosímil de transporte de calor, conocido como "segundo sonido, "en un material bastante común:el grafito, el material de la mina de un lápiz.

A temperaturas de 120 kelvin, o -240 grados Fahrenheit, vieron señales claras de que el calor puede viajar a través del grafito en un movimiento ondulatorio. Los puntos que originalmente estaban calientes se dejan instantáneamente fríos, a medida que el calor se mueve a través del material a una velocidad cercana a la del sonido. El comportamiento se asemeja a la forma ondulatoria en la que el sonido viaja a través del aire, por eso los científicos han denominado a este exótico modo de transporte de calor "segundo sonido".

Los nuevos resultados representan la temperatura más alta a la que los científicos han observado un segundo sonido. Y lo que es más, el grafito es un material disponible comercialmente, en contraste con más puro, Materiales difíciles de controlar que han mostrado un segundo sonido a 20 K, (-420 F):temperaturas que serían demasiado frías para ejecutar aplicaciones prácticas.

El descubrimiento, publicado en Ciencias , sugiere que el grafito, y quizás su pariente de alto rendimiento, grafeno puede eliminar de manera eficiente el calor en dispositivos microelectrónicos de una manera que antes no se reconocía.

"Hay un gran impulso para hacer que las cosas sean más pequeñas y más densas para dispositivos como nuestras computadoras y electrónicos, y la gestión térmica se vuelve más difícil a estas escalas, "dice Keith Nelson, el profesor de química Haslam y Dewey en el MIT. "Hay buenas razones para creer que el segundo sonido podría ser más pronunciado en el grafeno, incluso a temperatura ambiente. Si resulta que el grafeno puede eliminar eficazmente el calor en forma de ondas, eso sin duda sería maravilloso ".

El resultado surgió de una colaboración interdisciplinaria de larga duración entre el grupo de investigación de Nelson y el de Gang Chen, el profesor Carl Richard Soderberg de Ingeniería Mecánica e Ingeniería de Energía. Los coautores del MIT en el artículo son los autores principales Sam Huberman y Ryan Duncan, Ke Chen, Bai Song, Vazrik Chiloyan, Zhiwei Ding, y Alexei Maznev.

"En el carril expreso"

Normalmente, el calor viaja a través de los cristales de manera difusa, llevado por "fonones, "o paquetes de energía vibratoria acústica. La estructura microscópica de cualquier sólido cristalino es una red de átomos que vibran a medida que el calor se mueve a través del material. Estas vibraciones de la red, los fonones, en última instancia, se lleva el calor, difundiéndolo desde su fuente, aunque esa fuente sigue siendo la región más cálida, como una tetera que se enfría gradualmente en una estufa.

La tetera sigue siendo el lugar más cálido porque, a medida que las moléculas del aire se llevan el calor, estas moléculas están constantemente dispersas en todas direcciones, incluso de vuelta hacia la tetera. Esta "retrodispersión" ocurre también para fonones, manteniendo la región calentada original de un sólido como el lugar más cálido incluso cuando el calor se difunde.

Sin embargo, en materiales que exhiben un segundo sonido, esta retrodispersión se suprime en gran medida. Los fonones, en cambio, conservan el impulso y se precipitan en masa, y el calor almacenado en los fonones se transporta en forma de onda. Por lo tanto, el punto que se calentó originalmente se enfría casi instantáneamente, cerca de la velocidad del sonido.

El trabajo teórico anterior en el grupo de Chen había sugerido que, dentro de un rango de temperaturas, fonones en el grafeno pueden interactuar predominantemente de una manera que conserva el impulso, lo que indica que el grafeno puede presentar un segundo sonido. El año pasado, Huberman, un miembro del laboratorio de Chen, Tenía curiosidad por saber si esto podría ser cierto para materiales más comunes como el grafito.

Sobre la base de herramientas desarrolladas previamente en el grupo de Chen para el grafeno, desarrolló un intrincado modelo para simular numéricamente el transporte de fonones en una muestra de grafito. Para cada fonón, Mantuvo un registro de todos los posibles eventos de dispersión que podrían tener lugar con todos los demás fonones, basado en su dirección y energía. Ejecutó las simulaciones en un rango de temperaturas, de 50 K a temperatura ambiente, y descubrió que el calor puede fluir de manera similar al segundo sonido a temperaturas entre 80 y 120 K.

Huberman había estado colaborando con Duncan, en el grupo de Nelson, en otro proyecto. Cuando compartió sus predicciones con Duncan, el experimentalista decidió poner a prueba los cálculos de Huberman.

"Esta fue una colaboración increíble, ", Dice Chen." Ryan básicamente dejó todo para hacer este experimento, en muy poco tiempo ".

"Estábamos realmente en el carril rápido con esto, "Añade Duncan.

Cambiando la norma

El experimento de Duncan se centró en un pequeño Muestra de 10 milímetros cuadrados de grafito disponible comercialmente.

Usando una técnica llamada rejilla térmica transitoria, Cruzó dos rayos láser para que la interferencia de su luz generara un patrón de "ondulación" en la superficie de una pequeña muestra de grafito. Las regiones de la muestra debajo de las crestas de la ondulación se calentaron, mientras que los que correspondían a las depresiones de la ondulación permanecieron sin calefacción. La distancia entre las crestas fue de aproximadamente 10 micrones.

Duncan luego iluminó la muestra con un tercer rayo láser, cuya luz fue difractada por la onda, y su señal fue medida por un fotodetector. Esta señal era proporcional a la altura del patrón de ondulación, lo que dependía de cuánto más calientes estuvieran las crestas que las depresiones. De este modo, Duncan pudo rastrear cómo fluía el calor a través de la muestra a lo largo del tiempo.

Si el calor fluyera normalmente en la muestra, Duncan habría visto que las ondulaciones de la superficie disminuían lentamente a medida que el calor pasaba de las crestas a las depresiones. lavando el patrón ondulado. En lugar de, observó "un comportamiento totalmente diferente" a 120 K.

En lugar de ver las crestas decaer gradualmente al mismo nivel que las depresiones a medida que se enfriaban, las crestas en realidad se volvieron más frías que las depresiones, de modo que el patrón de ondulación se invirtió, lo que significa que durante algún tiempo, el calor en realidad fluía de las regiones más frías a las regiones más cálidas.

"Eso es completamente contrario a nuestra experiencia diaria, y al transporte térmico en casi todos los materiales a cualquier temperatura, "Dice Duncan." Esto realmente parecía un segundo sonido. Cuando vi esto tuve que sentarme durante cinco minutos, y me dije a mi mismo, "Esto no puede ser real". Pero realicé el experimento durante la noche para ver si sucedía de nuevo, y resultó ser muy reproducible ".

Según las predicciones de Huberman, el relativo bidimensional del grafito, grafeno también puede exhibir propiedades de segundo sonido a temperaturas aún más altas que se acercan o exceden la temperatura ambiente. Si este es el caso, que planean probar, entonces el grafeno puede ser una opción práctica para enfriar dispositivos microelectrónicos cada vez más densos.

"Este es uno de los pocos aspectos destacados de mi carrera que buscaría, donde los resultados realmente cambian la forma en que normalmente piensas sobre algo, ", Dice Nelson." Es más emocionante por el hecho de que, dependiendo de a donde vaya desde aquí, podría haber aplicaciones interesantes en el futuro. No hay duda desde un punto de vista fundamental, es realmente inusual y emocionante ".