Para ilmuwan telah melihat sesuatu yang ajaib terjadi di dalam grafit, benda-benda yang terbuat dari pensil Anda: Panas bergerak dalam gelombang dengan kecepatan suara.
Itu cukup bagus untuk beberapa alasan: Panas tidak seharusnya bergerak seperti gelombang - biasanya berdifusi dan memantul dari molekul yang bergoyang di setiap arah; Jika panas dapat bergerak sebagai gelombang, ia dapat bergerak dalam satu arah secara massal dari sumbernya, semacam energi yang terserap sekaligus dari suatu objek. Suatu hari, perilaku perpindahan panas dalam grafit ini dapat digunakan untuk mendinginkan mikroelektronika dalam sekejap. Yaitu, jika mereka bisa membuatnya bekerja pada suhu yang masuk akal (mereka bekerja pada suhu dingin tulang minus 240 derajat Fahrenheit, atau minus 151 derajat Celcius).
"Jika itu membuat suhu ruangan dalam beberapa bahan, maka akan ada prospek untuk beberapa aplikasi," kata peneliti studi Keith Nelson, seorang ahli kimia MIT, kepada Live Science, menambahkan bahwa ini adalah suhu tertinggi yang pernah dilihat oleh perilaku ini.
Naik kereta panas
Para peneliti menggambarkan gerakan panas "normal" menggunakan ketel yang dipanaskan - Setelah mematikan kompor, energi panas itu mendorong molekul udara, yang saling bertabrakan dan melepaskan panas dalam proses tersebut. Molekul-molekul ini memantul ke segala arah; beberapa molekul ini menyebar kembali ke ketel. Seiring waktu, air ketel dan sekitarnya mencapai keseimbangan pada suhu yang sama.
Dalam benda padat, molekul tidak bergerak karena atom terkunci pada posisinya. "Hal yang dapat bergerak adalah gelombang suara," kata Nelson, yang berbicara dengan Live Science bersama dengan rekan penulisnya Gang Chen, seorang insinyur mesin di MIT.
Sebaliknya, panas melompat ke fonon, atau paket kecil getaran suara; fonon dapat memantul dan menyebar, membawa panas seperti molekul udara dari ketel.
Gelombang panas yang aneh
Bukan itu yang terjadi dalam percobaan baru ini.
Karya teoretis sebelumnya oleh Chen meramalkan bahwa panas mungkin bergerak seperti gelombang ketika bergerak melalui grafit atau graphene. Untuk menguji ini, para peneliti MIT melintasi dua sinar laser pada permukaan grafit mereka, menciptakan apa yang disebut pola interferensi di mana ada garis paralel cahaya dan tidak ada cahaya. Ini menciptakan pola yang sama dari daerah panas dan tidak panas di permukaan grafit. Kemudian, mereka mengarahkan sinar laser lain pada pengaturan untuk melihat apa yang terjadi setelah itu mengenai grafit.
"Biasanya, panas secara bertahap akan berdifusi dari daerah yang dipanaskan ke daerah yang tidak dipanaskan, sampai pola suhu tersapu," kata Nelson. "Alih-alih, panas mengalir dari daerah yang dipanaskan ke yang tidak dipanaskan, dan terus mengalir bahkan setelah suhu disamakan di mana-mana, jadi daerah yang tidak dipanaskan sebenarnya lebih hangat daripada daerah yang awalnya dipanaskan." Daerah yang dipanaskan, sementara itu, menjadi lebih dingin daripada daerah yang tidak dipanaskan. Dan itu semua terjadi dengan sangat cepat - pada kecepatan yang hampir sama dengan suara yang biasanya bergerak dalam grafit.
"Panas mengalir jauh lebih cepat karena bergerak dengan cara seperti gelombang tanpa hamburan," kata Nelson kepada Live Science.
Bagaimana mereka mendapatkan perilaku aneh ini, yang oleh para ilmuwan disebut "suara kedua", terjadi dalam grafit?
"Dari sudut pandang fundamental, ini bukan perilaku biasa. Suara kedua hanya diukur dalam beberapa bahan saja, pada suhu berapa pun. Apa pun yang kami amati yang jauh dari biasa menantang kami untuk memahami dan menjelaskannya," kata Nelson. .
Inilah yang mereka pikir sedang terjadi: Grafit, atau bahan 3D, memiliki struktur berlapis di mana lapisan karbon tipis hampir tidak tahu yang lain ada di sana, sehingga mereka berperilaku seperti graphene, yang merupakan bahan 2D. Karena apa yang disebut Nelson sebagai "dimensi rendah", fonon yang membawa panas dalam satu lapisan grafit jauh lebih kecil kemungkinannya untuk terpental dan menyebar dari lapisan lain. Juga, fonon yang dapat terbentuk dalam grafit memiliki panjang gelombang yang sebagian besar terlalu besar untuk dipantulkan ke belakang setelah menabrak atom dalam kisi, sebuah fenomena yang dikenal sebagai backscatter. Paket suara kecil ini memang tersebar sedikit, tetapi sebagian besar bepergian dalam satu arah, yang berarti bahwa rata-rata, mereka dapat menempuh jarak yang jauh lebih cepat.
Catatan Editor: Artikel ini dimutakhirkan untuk memperjelas beberapa metode dalam percobaan dan fakta bahwa panas bergerak dengan kecepatan yang sama dengan suara yang akan bergerak melalui grafit, bukan udara, seperti yang dinyatakan sebelumnya.
