Выпрямитель тепла напоминает демона Максвелла

В будущем компьютеры станут работать не за счёт управления потоками электронов. И даже не на фотонах. Они смогут оперировать фононами — квантами тепловых колебаний атомарной решётки вещества. Во всяком случае, первый шаг в этом направлении уже сделан: физики построили фононный диод.

Вопрос на знание физики школьного уровня.

 

 

Если при разности температур в 10 градусов через слой некоего твёрдого материала толщиной в один сантиметр за секунду проходит 10 джоулей энергии, сколько пройдёт тепла в обратном направлении, если мы будем нагревать аналогичным образом не левую, а правую сторону этого же материала?

Ответ кажется очевидным: ровно столько же. Ведь теплу всё равно, в какую сторону распространяться.

А теперь представьте, что скорость теплопередачи у некоего объекта меняется в зависимости от направления потока энергии. Что получится? Получится тепловой аналог электрического диода.

Надо отметить, что в последнем варианте электрическое сопротивление различается в зависимости от направления тока в тысячи и тысячи раз. А в реально построенном тепловом диоде соответствующая разница в теплопроводности пока несравненно скромнее. Но дело тут не в цифрах — важен сам факт.

	Алекс Зеттл "собаку съел" на различных исследованиях в области нанотехнологии и на изучении необычных материалов (фото с сайта physics.berkeley.edu).

О создании первого в мире твердотельного термического выпрямителя (Solid-State Thermal Rectifier), или термического диода, отрапортовали в журнале Science профессор Алекс Зеттл (Alex Zettl) из университета Калифорнии в Беркли (University of California, Berkeley) и его соавторы.

Кстати, читателям "Мембраны" Зеттл уже знаком: это он создал самый маленький в мире двигатель, поперечник которого составляет всего 200 нанометров.

Четыре года назад Мишель Пейрар (Michel Peyrard) из Высшей школы Лиона (École Normale Supérieure de Lyon) первым предложил план построения теплового диода. Вот, кстати, одна из его свежих работ (PDF-документ), посвящённых физике этого удивительного устройства.

Пейрар вспомнил, что разные материалы по-разному меняют свою теплопроводность в зависимости от температуры. И вместе с коллегами решил сделать тепловой выпрямитель, комбинируя тонкие слои определённых материалов. Но, несмотря на колоссальную сферу потенциального применения теплового выпрямителя (диода), Пейрар никогда не пробовал воплотить эти идеи в эксперименте.

По другим теориям, тепловой выпрямитель можно было бы создать иным способом: построить одномерную проводящую систему, у которой на одном конце сосредоточено больше массы, чем на другом. Вот эту версию и предложил проверить на практике аспирант профессора Зеттла Чих Вэй Чан (Chih-Wei Chang).

Зеттл и коллеги обратили своё внимание на нанотрубки: ведь из-за огромного соотношения между длиной и диаметром их практически можно считать одномерными объектами. Для тепловых потоков, во всяком случае.

Для опыта воспользовались нанотрубками двух видов — из углерода и из нитрида бора, диаметром 10 и 40 нанометров. Но как создать разницу в распределении массы?

Упрощённая схема теплового диода. Решётку нанотрубки с одного конца закрывает конус из аморфного композита (иллюстрация с сайта sciencemag.org).

Учёные решили покрыть нанотрубки неравномерным слоем специально подобранного аморфного материала (C₉H₁₆Pt), который с одного конца был нанесён весьма щедро, а к другому плавно сходил на нет.

Такую нанотрубку закрепляли между электродами на основе кремния и платины — они служили попеременно то нагревательным элементом (на одном конце трубки), то термодатчиком (на другом).

Посылая тепло сначала от одного конца нанотрубки к другому, а потом — в противоположном направлении, исследователи каждый раз измеряли её теплопроводность.

Они убедились, что при передаче тепла от конца с большой массой к более лёгкому краю этого устройства по трубке пробегало на 7% больше фононов, чем при передаче энергии в обратном направлении.

	Фотографии опытной установки. Нанотрубка до и после напыления конуса. Графики внизу показывают изменение в теплопроводности. Чёрные точки — параметры "голой" нанотрубки. Красные и синие — параметры готового теплового диода при прохождении тепла в одну и другую сторону соответственно (фото с сайта sciencemag.org).

Эта невысокая эффективность ещё недостаточна для практического использования новинки. Однако, как справедливо заметил профессор Джулио Казати (Giulio Casati) из итальянского университета Инсубрии (Università degli studi dell'Insubria), который вместе с Пейраром первым предложил идею теплового выпрямителя, "это — первый шаг": "Когда учёные построили первый электрический диод, его эффективность также была очень низкой, — напомнил Казати, — таким образом, нужно ещё время".

Но даже 7-процентное отличие в теплопроводности при протекании энергии в разных направлениях впечатляет. Авторы новой работы пишут, что его нельзя объяснить в рамках обычной теории распространения тепла и предлагают "приспособить" для этого гуляющие по нанотрубке солитоны.

Арунава Маджумдар (Arunava Majumdar), ещё один соавтор эксперимента с нанотрубками, говорит, что, поскольку тепловые фононы не имеют заряда, ими нельзя управлять на манер электронов в микросхемах. Однако фононный выпрямитель — вот он, построен живьём. А это означает, что в будущем могут появиться и другие необычные системы, командующие потоками тепла.

Это могут быть не только диковинные вычислительные устройства, но и, скажем, необычные системы охлаждения микросхем или новые энергосберегающие материалы для зданий.

Маджумдар рассказывает, что следующим шагом научной группы будет изучение различных конфигураций нанотрубок и различных вариаций платинового покрытия. Учёные попробуют повысить разницу в теплопроводности "вправо" и "влево", меняя геометрию и химический состав устройства.

Нам же остаётся помечтать, к примеру, о создании фононных транзисторов. Или о воплощении демона Максвелла.

Напомним, этот демон — плод мысленного эксперимента знаменитого английского физика Джеймса Максвелла (James Clerk Maxwell). В этом эксперименте законы термодинамики нарушались путём быстрого открывания и закрывания дверей перед носом молекул, имевших разную скорость, из-за чего терялось тепловое равновесие без затрат энергии. Похоже на прибор, созданный физиками?

Статья о науки и техники получена: Membrana.ru