Учените показаха, че топлината може да тече като вода – откривайки нови пътища за охладяване на микрочипове и други.

Нови хоризонти за управление на топлината: как кристалите могат „превъртят“ енергията

Учени от Федеральната политехническа школа Лозанна (EPFL) теоретично демонстрираха, че в високо подредени и изключително чисти кристали топлината може да се държи по различен начин. Вместо обичайното разсейване от горещи области към студени, в такива материали възниква насочен поток с вихри и дори обратен ход на топлина. Представете си, че сте задържили чаша горещ чай със ръка – топлината започва да „замръзва“. Това звучи фантастично, но не противоречи законам на квантовата механика.

Какво са фононите и как се свързват с топлина?
- Фонон е квазицелуло, представляваща квант на вибрационното движение на атомите в твърдо тяло.
- В идеална кристална решетка фононите пренасят енергията, т.е. топлината.
- Според втория закон на термодинамиката вибрациите се разпространяват от по‑горещи (с повече енергия) към по‑студени атоми.

Как може да възникне обратен поток на топлина?
1. Запазване на импулса – в чистите кристали сблъскванията между фононите почти не променят посоката им, което позволява създаването на колективен, „неуплотняем“ поток.
2. Гидродинамичен режим – при почти несъкращим се режим потокът не „потърпи“ енергия от съпротивление, а формира вихри и дори се връща към източника на топлина.
3. Отрицателно топлинно съпротивление – топлината може да се движи от студени области към по‑топли, създавайки отрицателен температурен разлик, като общата ентропия на системата все пак расте.

Теоретична модел и потвърждение
- Учени разработиха гидродинамично уравнение, разбиват го на ключови елементи за поведението на потока.
- Числени симулации върху двумерна лента графит потвърдиха възможността да се наблюдава такъв ефект.
- Новата аналитика предоставя инструмент за количествено описание и оптимизация на обратния топлинен поток.

Защо това е важно?
Проблема Как може новият подход да помогне Перегряване на електрониката Активното „превъртване“ на топлина от горещи възли към по‑студени области, намалявайки локалния перегрев. Загуби на енергия Намаляване на загубите при пренасяне на енергия, повишаване на КПД на системите. Разработка на нови материали Възможност за целенасочено проектиране на структури с контролирано топлинно движение.

Какво следва?
- Моделът се прилага не само към фононите, но и към други носители на топлина: електрони, екситони и др., което го прави универсален инструмент за бъдещите технологии в наноелектрониката и енергетиката.
- Откритието отваря пътя към създаване на „топлинни помпи“ на нивото на кристалната решетка, способни ефективно да управляват топлина дори в миниатюрни устройства.

Така теоретичните изследвания на EPFL демонстрират, че при правилна структура и чистота на материала може не само да се пренася топлината, но и да се насочва „обратно“, отваряйки нови перспективи за управление на енергията на микро- и наноуровни.