Investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) en Cambridge, Massachusetts, descubrieron un nuevo modo de transporte de calor, llamado segundo sonido, en grafito, donde el calor se mueve en ondas, como el sonido que normalmente se mueve a través del aire.

Los investigadores encuentran evidencia de que el calor se mueve a través del grafito de manera similar a como el sonido se mueve a través del aire.

Según un artículo del MIT, los investigadores vieron este movimiento ondulado en grafito a temperaturas de 120 kelvin (-240 ° F).

“Los puntos que originalmente estaban calientes se dejan instantáneamente fríos, ya que el calor se mueve a través del material a una velocidad cercana al sonido”, explicó el artículo. “El comportamiento se asemeja a la forma de onda en que el sonido viaja por el aire, por lo que los científicos han apodado este modo exótico de transporte de calor ‘segundo sonido'”.

Esta es la temperatura más alta en la que se ha observado este fenómeno y la primera vez que se observó en el grafito en lugar de los materiales más exóticos (y difíciles de controlar) en los que se observó originalmente. Los investigadores creen que el grafito y el grafeno podrían usarse para enfriar la microelectrónica en formas que no se han observado antes.

“Normalmente, el calor viaja a través de los cristales de manera difusa, transportado por ‘fonones’ o paquetes de energía vibratoria acústica”, explica el artículo. “La estructura microscópica de cualquier sólido cristalino es una red de átomos que vibran cuando el calor se mueve a través del material. “Estas vibraciones de la red, los fonones, en última instancia, transportan 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”.

En la transferencia de calor típica, los fonones se dispersan en todas las direcciones, incluso de regreso a la fuente. Esta dispersión hacia atrás se suprime en materiales que exhiben un segundo sonido. Los fonones se mueven como una onda en lugar de individualmente, y eso significa que la fuente de calor se enfría casi instantáneamente.

Se probó una teoría sobre la presencia de un segundo sonido en el grafeno utilizando una muestra de grafito de 10 mm 2 . Los investigadores utilizaron rejillas térmicas transitorias, donde los rayos láser se cruzan para que la interferencia cause un efecto de ondulación en la superficie de la muestra.

“Las regiones de la muestra subyacentes a las crestas de la ondulación se calentaron, mientras que las que correspondían a los canales de la ondulación permanecieron sin calefacción”, dice el artículo. “La distancia entre las crestas era de unos 10 micrones”.

Un tercer rayo láser se difractó a través de la ondulación y se midió mediante un fotodetector. Su señal era proporcional a la altura de la ondulación, que dependía de la diferencia entre las protuberancias más calientes y los canales más fríos. Esto fue utilizado para medir el flujo de calor en el tiempo.

“En lugar de ver que las crestas decaen gradualmente al mismo nivel que los canales cuando se enfriaban, las crestas se enfriaron más que los canales, de modo que el patrón de ondulación se invirtió, lo que significa que durante un tiempo el calor fluyó de las regiones más frías. en regiones más cálidas ”, continuó el artículo.

La investigación fue publicada recientemente en Science . El resumen decía:

“El transporte térmico en forma de onda en los sólidos, conocido como segundo sonido, es un fenómeno exótico que anteriormente se limitaba a un puñado de materiales a bajas temperaturas. La rara ocurrencia de este efecto restringió su importancia científica y práctica.

“Observamos directamente el segundo sonido en grafito a temperaturas superiores a 100 K utilizando mediciones ópticas de transporte térmico resueltas en el tiempo en la escala de longitud de micrómetro. Nuestros resultados experimentales están en acuerdo cualitativo con los cálculos ab initio que predicen la hidrodinámica de fonones en forma de onda.

“Creemos que estos resultados indican potencialmente un papel importante del segundo sonido en el transporte de calor transitorio a microescala en materiales bidimensionales y en capas en un amplio rango de temperatura”.