Os cientistas viram algo mágico acontecendo dentro da grafite, o material de que o seu lápis é feito: o calor se movia nas ondas na velocidade do som.
Isso é bastante radical por duas razões: o calor não deve se mover como uma onda - geralmente se difunde e ricocheteia nas moléculas que oscilam em todas as direções; Se o calor pode viajar como uma onda, ele pode se mover em uma direção em massa para longe de sua fonte, meio que consumindo energia ao mesmo tempo de um objeto. Algum dia, esse comportamento de transferência de calor em grafite poderia ser usado para resfriar a microeletrônica em um piscar de olhos. Ou seja, se eles conseguem fazer funcionar uma temperatura razoável (eles estavam trabalhando em temperaturas arrepiantes de menos 240 graus Fahrenheit ou 151 graus Celsius negativos).
"Se chegar à temperatura ambiente em alguns materiais, haverá perspectivas de algumas aplicações", disse à Live Science o pesquisador Keith Nelson, químico do MIT, acrescentando que esta é a temperatura mais alta que alguém já viu esse comportamento.
Suba no trem do calor
Os pesquisadores descreveram o movimento de calor "normal" usando uma chaleira aquecida - Depois de desligar o queimador, a energia térmica atrapalha as moléculas de ar, que se chocam umas com as outras e retiram o calor do processo. Essas moléculas saltam em todas as direções; algumas dessas moléculas se espalham de volta para a chaleira. Com o tempo, a água da chaleira e o ambiente atingem o equilíbrio na mesma temperatura.
Nos sólidos, as moléculas não se movem porque os átomos estão travados na posição. "O que pode se mover são as ondas sonoras", disse Nelson, que falou com a Live Science, juntamente com o co-autor Gang Chen, engenheiro mecânico do MIT.
Em vez disso, o calor salta sobre os fônons ou pequenos pacotes de vibração sonora; os fônons podem saltar e se espalhar, carregando calor como as moléculas de ar da chaleira.
Uma estranha onda de calor
Não foi o que aconteceu neste novo experimento.
O trabalho teórico anterior de Chen previu que o calor poderia viajar como uma onda ao se mover através de grafite ou grafeno. Para testar isso, os pesquisadores do MIT cruzaram dois raios laser na superfície de sua grafite, criando o que é chamado de padrão de interferência no qual havia linhas paralelas de luz e nenhuma luz. Isso criou o mesmo padrão de regiões aquecidas e não aquecidas na superfície da grafite. Em seguida, eles apontaram outro feixe de laser para a instalação para ver o que aconteceu depois que atingiu a grafite.
"Normalmente, o calor difunde-se gradualmente das regiões aquecidas para as regiões não aquecidas, até que o padrão de temperatura seja lavado", disse Nelson. "Em vez disso, o calor fluiu de regiões aquecidas para regiões não aquecidas e continuou fluindo mesmo depois que a temperatura foi equalizada em todos os lugares; portanto, as regiões não aquecidas eram realmente mais quentes do que as regiões originalmente aquecidas". As regiões aquecidas, entretanto, tornaram-se ainda mais frias que as regiões não aquecidas. E tudo aconteceu incrivelmente rápido - quase na mesma velocidade que o som normalmente viaja em grafite.
"O calor fluiu muito mais rápido porque se movia de maneira ondulatória sem se espalhar", disse Nelson à Live Science.
Como eles conseguiram esse comportamento estranho, que os cientistas chamam de "segundo som", ocorre em grafite?
"De uma perspectiva fundamental, esse não é um comportamento comum. O segundo som só foi medido em um punhado de materiais, a qualquer temperatura. Qualquer coisa que observamos muito fora do comum nos desafia a entender e explicar", disse Nelson. .
Eis o que eles acham que está acontecendo: o grafite, ou um material 3D, tem uma estrutura em camadas na qual as finas camadas de carbono quase não sabem que a outra existe, e por isso elas se comportam como o grafeno, que é um material 2D. Por causa do que Nelson chama isso de "baixa dimensionalidade", os fônons que carregam o calor em uma camada da grafite têm muito menos probabilidade de ricochetear e se espalhar por outras camadas. Além disso, os fônons que podem se formar em grafite têm comprimentos de onda grandes demais para serem refletidos para trás após colidirem com átomos na rede, um fenômeno conhecido como retroespalhamento. Esses pequenos pacotes de som se dispersam um pouco, mas viajam principalmente em uma direção, o que significa que, em média, eles podem percorrer uma grande distância muito mais rapidamente.
Nota do Editor: Este artigo foi atualizado para esclarecer alguns dos métodos do experimento e o fato de o calor viajar aproximadamente na mesma velocidade que o som percorreria a grafite, não o ar, como foi afirmado anteriormente.
