Тепло преодолевает нанометровые промежутки благодаря фононам

Проводимость и тепловое излучение — вот два пути, которыми высокая температура перемещается от одного объекта к другому.

Проводимость — процесс, с которым тепло перемещается между объектами с физическим контактом, например, между чайником и плитой. Тепловое излучение описывает перемещение тепла на большие дистанции, например, тепло от солнца.

Эти два фундаментальных процесса теплопередачи объясняют, как энергия преодолевает микроскопические и макроскопические расстояния. Однако исследователи затруднялись установить, как тепло перетекает через промежутки.

И вот теперь исследователи из Массачусетского технологического института, университета Оклахомы и университета Рутгерса разработали модель, которая объясняет, как тепло течет между объектами, удаленными друг от друга на расстояние не более нанометра. Команда развила унифицированную структуру, которая подсчитывает передачу тепла в конечных промежутках, и показала, что тепло течет на субнанометровые дистанции не посредством излучения или проводимости, а посредством фононного туннелирования.

Фононы — это единицы энергии, произведенной вибрирующими атомами в кристаллической решетке. Например, один кристалл столовой соли содержит атомы натрия и хлорида, упорядоченные в решетке. Эти атомы вибрируют, формируя механические волны, которые способны передавать тепло по решетке.

Обычно эти волны или фононы способны передавать тепло только в пределах материалов, а не между ними. Однако новое исследование показало, что на самом деле фононы могут преодолевать нанометровые промежутки, туннелируя от одного материала к другому и усиливая передачу тепла.

Исследователи полагают, что фононное туннелирование объясняет физическую механику передачи энергии в данном масштабе, что нельзя всецело приписывать либо проводимости, либо излучению.

Результаты исследования опубликованы в издании Nature Communications.

08.04.2015