office@icp.ac.ru
+7 496 522-51-64
Контроль теплопередачи в многосистемных материалах: новые теоретические подходы к изучению частотно-зависимой теплопроводности
В современном мире, где электронные устройства становятся все меньше и быстрее, управление тепловыми потоками превращается в одну из самых острых проблем. Представьте, что вы пытаетесь охладить крошечный чип размером с песчинку или даже меньше, работающий на пределе возможностей! Именно такие вызовы стоят перед учеными, разрабатывающими новые материалы для наноэлектроники и оптоэлектроники. Интересное решение этой задачи предложила команда исследователей из Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН (ФИЦ ПХФ и МХ РАН) и Самарского технического университета (СГТУ). Их работа, опубликованная в International Journal of Thermal Sciences (импакт-фактор 5,0), открывает новые горизонты в управлении тепловыми потоками.
Две температуры — один материал
Что такое двухтемпературная система? Это состояние материала, при котором его разные подсистемы — например, электроны и кристаллическая решетка — имеют различную температуру. Обычно мы считаем, что у любого тела есть одна-единственная температура, но это справедливо только для состояния теплового равновесия. При быстром внешнем воздействии, таком как сверхкороткий лазерный импульс, равновесие нарушается. Электроны, которые первыми поглощают энергию, успевают сильно разогреться, в то время как массивные атомы решетки остаются холодными. Таким образом, в течение короткого времени в материале действительно сосуществуют две разные температуры.
Ученые исследовали, как в таких системах распространяются тепловые волны и как их свойства зависят от частоты внешнего воздействия. Основной результат их работы — обнаружение удивительного факта: теплопроводность материалов может кардинально меняться в зависимости от того, насколько быстро меняется температура.
Почему это важно? Такое понимание позволяет создавать “умные” материалы, которые по-разному реагируют на тепловые воздействия разной частоты. Например, можно разработать покрытие, которое отлично проводит тепло при обычных условиях, но становится теплоизолятором при резких температурных всплесках — идеальное решение для защиты чувствительных электронных компонентов!
Эти открытия прокладывают путь к созданию тепловых метаматериалов — искусственных структур, чьи необычные свойства управления теплом не встречаются в природе. Такие материалы могут использоваться не только в электронике, но и в системах терморегулирования космических аппаратов, высокоточных лазерных системах и даже в медицинских устройствах для локального нагрева тканей.
S.L. Sobolev, I.V. Kudinov // Dispersion relation and frequency-dependent thermal conductivity of the two-temperature systems // International Journal of Thermal Sciences, Volume 214, IF=5.0