Выпрямитель тепла напоминает демона максвелла
В будущем компьютеры начнут работать не за счёт управления потоками электронов. А также не на фотонах.
Они смогут оперировать фононами — квантами тепловых колебаний атомарной решётки вещества. По крайней мере, первый ход в этом направлении уже сделан: физики выстроили фононный диод.
Вопрос на знание физики школьного уровня. В случае если при разности температур в 10 градусов через слой некоего жёсткого материала толщиной в один сантиметр за секунду проходит 10 джоулей энергии, сколько пройдёт тепла в обратном направлении, в случае если мы будем нагревать подобным образом не левую, а правую сторону этого же материала?
Ответ думается очевидным: ровно столько же. Так как теплу всё равняется, в какую сторону распространяться.
А сейчас представьте, что скорость передачи тепла у некоего объекта изменяется в зависимости от направления потока энергии. Что окажется?
Окажется тепловой аналог электрического диода.
Нужно подчернуть, что в последнем варианте электрическое сопротивление различается в зависимости от направления тока в тысячи и тысячи раз. А в реально выстроенном тепловом диоде соответствующая отличие в теплопроводности до тех пор пока несравненно скромнее.
Но дело тут не в цифрах — ответствен сам факт.
Алекс Зеттл «собаку съел» на разных изучениях в области нанотехнологии и на изучении необыкновенных материалов (фото с сайта physics.berkeley.edu).
О создании первого в мире твердотельного термического выпрямителя (Solid-State Thermal Rectifier), либо термического диода, отрапортовали в издании Science доктор наук Алекс Зеттл (Alex Zettl) из университета Калифорнии в Беркли (University of California, Berkeley) и его соавторы.
Кстати, читателям «Мембраны» Зеттл уже знаком: это он создал самый мелкий в мире двигатель, поперечник которого образовывает всего 200 нанометров.
Четыре года назад Мишель Пейрар (Michel Peyrard) из Высшей школы Лиона (Ecole Normale Superieure de Lyon) первым внес предложение замысел построения теплового диода. Вот, кстати, одна из его свежих работ (PDF-документ), посвящённых физике этого необычного устройства.
Пейрар отыскал в памяти, что различные материалы по-различному меняют собственную теплопроводность в зависимости от температуры. И вместе с сотрудниками решил сделать тепловой выпрямитель, комбинируя узкие слои определённых материалов.
Но, не обращая внимания на большую сферу потенциального применения теплового выпрямителя (диода), Пейрар ни при каких обстоятельствах не пробовал воплотить эти идеи в опыте.
По вторым теориям, тепловой выпрямитель возможно было бы создать иным методом: выстроить одномерную проводящую совокупность, у которой на одном финише сосредоточено больше массы, чем на втором. Вот эту версию и внес предложение проверить на практике аспирант доктора наук Зеттла Чих Вэй Чан (Chih-Wei Chang).
Зеттл и сотрудники обратили внимание на нанотрубки: так как из-за огромного соотношения между диаметром и длиной их фактически можно считать одномерными объектами. Для тепловых потоков, по крайней мере.
Для опыта воспользовались нанотрубками двух видов — из углерода и из нитрида бора, диаметром 10 и 40 нанометров. Но как создать отличие в распределении массы?
Упрощённая схема теплового диода. Решётку нанотрубки с одного финиша закрывает конус из аморфного композита (иллюстрация с сайта sciencemag.org).
Учёные решили покрыть нанотрубки неравномерным слоем намерено подобранного аморфного материала (C9H16Pt), что с одного финиша был нанесён очень щедро, а к второму медлено сходил на нет.
Такую нанотрубку закрепляли между электродами на базе платины и кремния — они помогали попеременно то нагревательным элементом (на одном финише трубки), то термодатчиком (на втором).
Отправляя тепло сперва от одного финиша нанотрубки к второму, а позже — в противоположном направлении, исследователи любой раз измеряли её теплопроводность.
Они убедились, что при передаче тепла от финиша с громадной массой к более лёгкому краю этого устройства по трубке пробегало на 7% больше фононов, чем при передаче энергии в обратном направлении.
Фотографии умелой установки. Нанотрубка до и по окончании напыления конуса. Графики внизу показывают изменение в теплопроводности. Тёмные точки — параметры «обнажённой» нанотрубки.
синие параметры и — Красные готового теплового диода при прохождении тепла в одну и другую сторону соответственно (фото с сайта sciencemag.org).
Эта низкая эффективность ещё недостаточна для применения на практике новинки. Но, как справедливо увидел доктор наук Джулио Казати (Giulio Casati) из итальянского университета Инсубрии (Universita degli studi dell?Insubria), что вместе с Пейраром первым внес предложение идею теплового выпрямителя, «это — первый ход»: «В то время, когда учёные выстроили первый электрический диод, его эффективность кроме этого была низкой, — напомнил Казати, — так, необходимо ещё время».
Но кроме того 7-процентное отличие в теплопроводности при протекании энергии в различных направлениях впечатляет. Авторы новой работы пишут, что его нельзя объяснить в рамках простой теории распространения тепла и предлагают «приспособить» для этого гуляющие по нанотрубке солитоны.
Арунава Маджумдар (Arunava Majumdar), ещё один соавтор опыта с нанотрубками, говорит, что, потому, что тепловые фононы не имеют заряда, ими нельзя управлять на манер электронов в микросхемах. Но фононный выпрямитель — вот он, выстроен живьём.
А это указывает, что в будущем смогут показаться и другие необыкновенные совокупности, командующие потоками тепла.
Это смогут быть не только диковинные вычислительные устройства, но и, скажем, необыкновенные совокупности охлаждения микросхем либо новые энергосберегающие материалы для строений.
Маджумдар говорит, что следующим шагом научной группы будет изучение разных конфигураций нанотрубок и разных вариаций платинового покрытия. Учёные попытаются повысить отличие в теплопроводности «вправо» и «влево», меняя химический состав и геометрию устройства.
Нам же остаётся помечтать, например, о создании фононных транзисторов. Либо о воплощении демона Максвелла.
Напомним, данный демон — плод мысленного опыта известного британского физика Джеймса Максвелла (James Clerk Maxwell). В этом опыте законы термодинамики нарушались путём закрывания дверей и быстрого открывания перед носом молекул, имевших различную скорость, почему терялось тепловое равновесие без затрат энергии.
Похоже на прибор, созданный физиками?
