Naukowcy z Uniwersytetu Massachusetts w Amherst odkryli wyjątek od dwustuletniego prawa fizyki opisującego dyfuzję ciepła przez materiały stałe, znanego jako prawo Fouriera. Dotychczas uważano, że ciepło przemieszcza się w materiałach stałych przez wibracje molekuł i przemieszczanie się elektronów, od cieplejszego końca obiektu do zimniejszego. Jednak badania wykazały, że na poziomie nanoskali model ten nie działa, a prawo Fouriera nie przewiduje szybkości przemieszczania się ciepła.

Badacze, kierowani przez Kaikai Zheng, postanowili sprawdzić, czy podobne wyjątki do prawa Fouriera mogą występować w materiałach przezroczystych, takich jak polimery i szkła nieorganiczne. Te materiały, choć przepuszczają niektóre długości fal światła, rozpraszają je, odbijając od nieczystości w strukturze materiału. To doprowadziło do hipotezy, że oprócz dyfuzji, przezroczystość materiałów może pozwalać na przenoszenie energii cieplnej również w postaci promieniowania cieplnego.

W ramach eksperymentu, badacze użyli specjalnie zaprojektowanej komory próżniowej, by wyeliminować możliwość rozpraszania ciepła przez powietrze, a następnie podgrzewali materiały krótkimi impulsami laserowymi, mierząc rozprzestrzenianie się ciepła przy użyciu czujników temperatury, zmiany koloru termoczułej powłoki oraz kamer termowizyjnych.

Wyniki eksperymentu wskazały, że ciepło rozprzestrzenia się szybciej niż mogłoby to wynikać z dyfuzji, co sugeruje, że promieniowanie znacząco przyczynia się do przepływu ciepła. „To nie oznacza, że prawo Fouriera jest błędne,” wyjaśnia Steve Granick, „tylko że nie wyjaśnia wszystkiego, co obserwujemy w przekazywaniu ciepła.”

Odkrycie to może mieć znaczące implikacje dla inżynierii materiałowej, oferując nowe strategie zarządzania ciepłem w materiałach przezroczystych. Badanie rozszerza zrozumienie dyfuzji ciepła w materiałach stałych, otwierając nowe perspektywy ponad 200 lat po pierwszym opisaniu tego zjawiska w terminach matematycznych.

Źródło: PNAS