Comportamento exótico da dissipação de calor no grafite

Comportamento exótico da dissipação de calor no grafite 

Na próxima vez que você colocar uma chaleira para ferver, considere este cenário: Depois de desligar o queimador, em vez de ficar quente e lentamente esquentar a cozinha e o fogão, a chaleira esfria rapidamente até a temperatura ambiente e seu calor sobe na forma de um onda fervente.

Sabemos que o calor não se comporta dessa maneira no ambiente do nosso dia-a-dia. Mas agora os pesquisadores do MIT observaram esse modo aparentemente implausível de transporte de calor, conhecido como "segundo som", em um material bastante comum: grafite.

A temperaturas de 120 kelvin, ou -240 graus Fahrenheit, eles viram sinais claros de que o calor pode viajar através de grafite em um movimento ondulatório. Pontos que foram originalmente quentes são deixados instantaneamente frios, enquanto o calor se move pelo material perto da velocidade do som. O comportamento assemelha-se ao modo ondulatório pelo qual o som viaja através do ar, então os cientistas apelidaram esse modo exótico de transporte de calor de "segundo som".

Os novos resultados representam a temperatura mais alta em que os cientistas observaram o segundo som. Além disso, a grafite é um material comercialmente disponível, em contraste com materiais mais puros e difíceis de controlar que exibiram um segundo som a 20 K (-420 F) - temperaturas que seriam muito frias para executar quaisquer aplicações práticas .

A descoberta, publicada na Science, sugere que o grafite, e talvez seu grafeno de alto desempenho, possa eficientemente remover o calor em dispositivos microeletrônicos de uma maneira que não era reconhecida anteriormente.

"Há um enorme esforço para tornar as coisas menores e mais densas para dispositivos como nossos computadores e eletrônicos, e o gerenciamento térmico se torna mais difícil nessas escalas", diz Keith Nelson, professor de química da Haslam e Dewey no MIT. "Há boas razões para acreditar que o segundo som pode ser mais pronunciado no grafeno, mesmo à temperatura ambiente. Se acontecer que o grafeno pode eficientemente remover o calor como ondas, isso certamente seria maravilhoso".

O resultado resultou de uma longa colaboração interdisciplinar entre o grupo de pesquisa de Nelson e o de Gang Chen, o professor de Engenharia Mecânica e Engenharia de Energia de Carl Richard Soderberg. Os co-autores do MIT no papel são os principais autores Sam Huberman e Ryan Duncan, Ke Chen, Bai Song, Vazrik Chiloyan, Zhiwei Ding e Alexei Maznev.

"Na pista expressa"

Normalmente, o calor viaja através de cristais de maneira difusa, transportado por "fônons", ou pacotes de energia vibracional acústica. A estrutura microscópica de qualquer sólido cristalino é uma rede de átomos que vibra à medida que o calor se move através do material. Essas vibrações de treliça, os fônons, acabam levando o calor embora, difundindo-o de sua fonte, embora essa fonte continue a ser a região mais quente, muito parecida com uma chaleira esfriando gradualmente em um fogão.

A chaleira continua a ser o ponto mais quente porque, como o calor é levado pelas moléculas no ar, essas moléculas são constantemente espalhadas em todas as direções, incluindo de volta para a chaleira. Esse "espalhamento de volta" também ocorre para os fônons, mantendo a região aquecida original de um sólido o ponto mais quente, mesmo quando o calor se difunde.

No entanto, em materiais que exibem um segundo som, esse back-scattering é altamente suprimido. Em vez disso, os fônons conservam o ímpeto e se dispersam em massa, e o calor armazenado nos fônons é carregado como uma onda. Assim, o ponto que foi originalmente aquecido é quase instantaneamente resfriado, próximo à velocidade do som.

Trabalhos teóricos anteriores no grupo de Chen sugeriram que, dentro de uma faixa de temperaturas, os fônons no grafeno podem interagir predominantemente de maneira conservadora, indicando que o grafeno pode exibir um segundo som. No ano passado, Huberman, membro do laboratório de Chen, estava curioso para saber se isso poderia ser verdade para materiais mais comuns como o grafite.

Com base em ferramentas previamente desenvolvidas no grupo de grafeno de Chen, ele desenvolveu um modelo intrincado para simular numericamente o transporte de fônons em uma amostra de grafite. Para cada fônon, ele acompanhava todos os possíveis eventos de dispersão que poderiam ocorrer com todos os outros fônons, com base em sua direção e energia. Ele executou as simulações em uma faixa de temperaturas, de 50 K até a temperatura ambiente, e descobriu que o calor poderia fluir de maneira semelhante ao segundo som a temperaturas entre 80 e 120 K.

Huberman estava colaborando com Duncan, no grupo de Nelson, em outro projeto. Quando ele compartilhou suas previsões com Duncan, o experimentalista decidiu colocar os cálculos de Huberman à prova.

"Esta foi uma colaboração incrível", diz Chen. "Ryan basicamente largou tudo para fazer este experimento, em um tempo muito curto".

"Nós estávamos realmente na pista expressa com isso", acrescenta Duncan.

A experiência de Duncan centrou-se em torno de uma pequena amostra de 10 milímetros quadrados de grafite comercialmente disponível.

Usando uma técnica chamada grade térmica transitória, ele cruzou dois feixes de laser para que a interferência de sua luz gerasse um padrão de "ondulação" na superfície de uma pequena amostra de grafite. As regiões da amostra subjacente às cristas da ondulação foram aquecidas, enquanto as que correspondiam às cavidades da ondulação permaneceram aquecidas. A distância entre as cristas foi de cerca de 10 mícrons.

Duncan então iluminou a amostra com um terceiro feixe de laser, cuja luz foi difratada pela ondulação, e seu sinal foi medido por um fotodetector. Este sinal era proporcional à altura do padrão de ondulação, que dependia de quanto mais quentes as cristas eram do que as cavidades. Desta forma, Duncan poderia rastrear como o calor fluía através da amostra ao longo do tempo.

Se o calor fluísse normalmente na amostra, Duncan teria visto as ondulações da superfície diminuírem lentamente à medida que o calor se movesse das cristas para as depressões, removendo o padrão de ondas. Em vez disso, ele observou "um comportamento totalmente diferente" a 120 K.

Em vez de ver as cristas se decompondo gradualmente no mesmo nível das calhas enquanto esfriavam, as cristas se tornaram mais frias que as valas, de modo que o padrão ondulado foi invertido - o que significa que, durante algum tempo, o calor fluía das regiões mais frias em regiões mais quentes.

"Isso é completamente contrário à nossa experiência diária e ao transporte térmico em quase todos os materiais a qualquer temperatura", diz Duncan. "Isso realmente parecia um segundo som. Quando vi isso, tive que sentar-me por cinco minutos e disse a mim mesmo: 'Isso não pode ser real.' Mas eu corri o experimento durante a noite para ver se isso aconteceu novamente, e provou ser muito reprodutível ".

De acordo com as previsões de Huberman, o grafeno bidimensional da grafite também pode exibir propriedades do segundo som em temperaturas ainda mais altas que se aproximam ou excedem a temperatura ambiente. Se este for o caso, que eles planejam testar, então o grafeno pode ser uma opção prática para resfriar dispositivos microeletrônicos cada vez mais densos.

"Este é um dos poucos destaques de carreira que eu gostaria de ver, onde os resultados realmente mudam a forma como você pensa normalmente sobre algo", diz Nelson. "É mais empolgante pelo fato de que, dependendo de onde for daqui, pode haver aplicações interessantes no futuro. Não há dúvida de um ponto de vista fundamental, é realmente incomum e emocionante."

Esta pesquisa foi financiada em parte pelo Escritório de Pesquisa Naval, pelo Departamento de Energia e pela National Science Foundation.

Artigo:

S. Huberman, R. A. Duncan, K. Chen, B. Song, V. Chiloyan, Z. Ding, A. A. Maznev, G. Chen, K. A. Nelson. Observation of second sound in graphite at temperatures above 100 K. Science, 2019; eaav3548 DOI: 10.1126/science.aav3548

Fonte:

www.sciencedaily.com/releases/2019/03/190314151640.htm

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