Neue Forschung deckt obskures und widersprüchliches Wärmeübertragungsverhalten auf

UCLA-Forscher und ihre Kollegen haben ein neues physikalisches Prinzip entdeckt, das regelt, wie Wärme durch Materialien geleitet wird, und das Ergebnis widerspricht der gängigen Meinung, dass sich Wärme immer schneller bewegt, wenn der Druck zunimmt.

Bisher hat sich der allgemeine Glaube in aufgezeichneten Beobachtungen und wissenschaftlichen Experimenten mit verschiedenen Materialien wie Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen bewahrheitet.

Die Forscher detailliert ihre Entdeckung in einer Studie, die letzte Woche von veröffentlicht wurde Natur. Das haben sie gefunden Borarseniddas bereits als vielversprechendes Material für angesehen wurde Wärmemanagement und fortschrittliche Elektronik, hat auch eine einzigartige Eigenschaft. Nach Erreichen eines extrem hohen Drucks, der hundertmal höher ist als der Druck am Meeresboden, beginnt die Wärmeleitfähigkeit von Borarsenid tatsächlich abzunehmen.

Die Ergebnisse legen nahe, dass es möglicherweise andere Materialien gibt, die das gleiche Phänomen unter extremen Bedingungen erfahren. Der Fortschritt könnte auch zu neuartigen Materialien führen, die für intelligente Energiesysteme mit eingebauten „Druckfenstern“ entwickelt werden könnten, sodass sich das System nur innerhalb eines bestimmten Druckbereichs einschaltet, bevor es nach Erreichen eines maximalen Druckpunkts automatisch abschaltet.

„Dieses grundlegende Forschungsergebnis zeigt, dass die allgemeine Regel der Druckabhängigkeit unter extremen Bedingungen zu versagen beginnt“, sagte Studienleiter Yongjie Hu, außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der UCLA Samueli School of Engineering. „Wir gehen davon aus, dass diese Studie nicht nur einen Maßstab für die potenzielle Überarbeitung des derzeitigen Verständnisses der Wärmebewegung liefern wird, sondern auch etablierte Modellvorhersagen für extreme Bedingungen beeinflussen könnte, wie sie beispielsweise im Erdinneren zu finden sind, wo direkte Messungen nicht möglich sind.“

Laut Hu kann der Forschungsdurchbruch auch zu einer Umrüstung von Standardtechniken führen, die bei Stoßwellenstudien verwendet werden.

Ähnlich wie sich eine Schallwelle durch eine geläutete Glocke bewegt, wandert Wärme durch atomare Schwingungen durch die meisten Materialien. Wenn der Druck die Atome in einem Material enger zusammenpresst, ermöglicht er es der Wärme, sich Atom für Atom schneller durch das Material zu bewegen, bis seine Struktur zusammenbricht oder sich in eine andere Phase umwandelt.

Bei Borarsenid ist dies jedoch nicht der Fall. Das Forschungsteam beobachtete, dass sich Wärme unter extremem Druck langsamer bewegte, was auf eine mögliche Interferenz hindeutet, die durch unterschiedliche Arten verursacht wird, wie die Wärme durch die Struktur vibriert, wenn der Druck zunimmt, ähnlich wie überlappende Wellen, die sich gegenseitig aufheben. Bei solchen Interferenzen handelt es sich um Wechselwirkungen höherer Ordnung, die mit der Lehrbuchphysik nicht erklärt werden können.

Die Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass die Wärmeleitfähigkeit von Mineralien ab einem bestimmten Druckbereich ein Maximum erreichen kann. „Falls auf das Innere von Planeten anwendbar, könnte dies auf einen Mechanismus für ein internes ‚thermisches Fenster‘ hindeuten – eine innere Schicht innerhalb des Planeten, in der sich die Mechanismen des Wärmeflusses von denen darunter und darüber unterscheiden“, sagt Co-Autorin Abby Kavner, a Professor für Erd-, Planeten- und Weltraumwissenschaften an der UCLA. „Eine Schicht wie diese kann im Inneren großer Planeten ein interessantes dynamisches Verhalten hervorrufen.“

Um die Umgebung mit extrem hohem Druck für ihre Wärmeübertragungsdemonstrationen zu erreichen, platzierten und komprimierten die Forscher einen Borarsenidkristall zwischen zwei Diamanten in einer kontrollierten Kammer. Anschließend nutzten sie die Quantentheorie und mehrere fortschrittliche Bildgebungsverfahren, einschließlich ultraschneller Optik und inelastischer Röntgenstreuungsmessungen, um das zuvor unbekannte Phänomen zu beobachten und zu validieren.

Die Maschinenbaustudenten Suixuan Li, Zihao Qin, Huan Wu und Man Li aus Hus Forschungsgruppe sind die Co-Hauptautoren der Studie. Weitere Autoren sind Kavner, Martin Kunz vom Lawrence Berkeley National Laboratory und Ahmet Alatas vom Argonne National Laboratory.