Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Углеродные нанотрубки для современных учёных — не только объект исследования, но и строительный материал для создания диковинных устройств с немыслимыми ранее свойствами (иллюстрация с сайта physics.berkeley.edu).
Упрощённая схема теплового диода. Решётку нанотрубки с одного конца закрывает конус из аморфного композита (иллюстрация с сайта sciencemag.org).
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).
Алекс Зеттл "собаку съел" на различных исследованиях в области нанотехнологии и на изучении необычных материалов (фото с сайта physics.berkeley.edu).

Выпрямитель тепла напоминает демона Максвелла

Ключевые слова:  нанотрубки, периодика, углеродные нанотрубки

Опубликовал(а):  Трусов Л. А.

27 ноября 2006

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.

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?

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.

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?


В статье использованы материалы: Membrana



Комментарии
очень интересная статья
Юнусов Иван Сергеевич, 17 апреля 2014 06:48 
похоже)

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Ежик в тумане
Ежик в тумане

4 февраля объявили лауреатов V Всероссийской премии «За верность науке»
4 февраля в здании Минобрнауки РФ состоялась торжественное награждение лауреатов V Всероссийской премии «За верность науке». 11 научно-просветительских проектов были отмечены престижной наградой.

Всероссийский съезд учителей и преподавателей химии
5 февраля в Московском университете в Шуваловском корпусе МГУ состоится Всероссийский съезд учителей и преподавателей химии, посвященный Международному году Периодической таблицы химических элементов, начало - 10 часов.

II Всероссийский химический диктант пройдет 18 мая 2019 года
В 2019 году периодическому закону Дмитрия Менделеева исполнится 150 лет! В честь великого открытия этот год объявлен Международным годом Периодической таблицы химических элементов. Одним из наиболее ярких событий, приуроченных к этому году, станет II Всероссийский химический диктант, который пройдет 18 мая и который в этом году выходит на международный уровень. Мероприятие было анонсировано в рамках церемонии открытия Международного года Периодической таблицы химических элементов 29 января 2019 года в Париже, в штаб-квартире ЮНЕСКО.

Самые необычные таблицы Менделеева на выставке Международного года Периодической таблицы химических элементов

6-8 февраля в Российской академии наук состоялось торжественное открытие Международного года периодической таблицы химических элементов в России и приуроченная к этому масштабная интерактивная выставка

Почувствовать живое...
Е.А.Гудилин, А.А.Семенова, Н.А.Браже
Неразрушающее исследование живых клеток и клеточных структур является в настоящее время важным направлением научных изысканий, которые во многих зарубежных и российских научных группах направлены на достижение вполне прагматической цели – разработку новых принципов биомедицинской диагностики и эффективных подходов в нарождающейся персональной медицине.

Российская газета: Перевернуть пирамиду. Президент РАН: как повысить наши шансы на Нобеля
Юрий Медведев
Почему Россия по числу Нобелей отстает от ведущих стран мира, уступая, например, даже маленькой Швейцарии? Замалчиваются ли достижения отечественных ученых? Почему без привлечения в науку российского бизнеса мы не сможем успешно конкурировать в борьбе за престижную научную премию? Об этом корреспондент "РГ" беседует с президентом РАН Александром Сергеевым, который побывал в Стокгольме на вручении Нобелевских премий и поделился своими впечатлениями.

Инновационные системы: достижения и проблемы
Олег Фиговский, Валерий Гумаров

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.