Неожиданно: ученые обнаружили поразительное исключение из закона физики, которому 200 лет

Ще 1822 року французький математик і фізик Жозеф Фур'є представив закон фізики, який згодом отримав його ім'я. Цей закон описує, як тепло передається або проводиться через тверді матеріали. Коли молекули вібрують, а електрони переміщуються, тепло поширюється від гарячішого краю об'єкта до холоднішого зі швидкістю, пропорційною різниці температур і площі, через яку проходить це тепло. Але за останні роки фізики виявили, що на нанорівні така модель дифузії не працює. Тобто закон Фур'є порушується та більше не може передбачити, наскільки швидко чи повільно тепло проходитиме через твердий матеріал. Автори нового дослідження, опублікованого в журналі PNAS, виявили разючий виняток із закону фізики, якому понад 200 років, пише ScienceAlert.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Із огляду на те, що закон Фур'є не працює на нанорівні, автори дослідження вирішили з'ясувати, чи можуть існувати подібні винятки із закону Фур'є на макрорівні, у прозорих матеріалах, таких як напівпрозорі полімери та неорганічне скло. Такі матеріали пропускають світло лише певних довжин хвиль і хочуть, щоб воно не повністю поглиналося, але все ж таки відбувається його розсіювання та відбиття.

Учені припустили, що прозорість таких твердих матеріалів дає змогу не тільки поширюватися теплу через них, а й дозволяє тепловій енергії проходити через матеріали у формі теплового випромінювання. Таке тепло переноситься повітрям у вигляді електромагнітних хвиль, переважно інфрачервоного випромінювання.

За словами вчених, вони поставили собі запитання: чи може тепло проходити через тверді матеріали іншим способом, не таким, як передбачається? Під час експерименту фізики взяли тестові матеріали та розмістили їх у вакуумній камері. У вакуумі тепло не могло розсіюватися від матеріалів через повітря.

Після цього фізики направляли на дуже короткий час на матеріали промені лазерів, щоб нагріти їх. Потім було проведено вимірювання того, як тепло поширюється через кожен із матеріалів.

Як показали результати експерименту, нагрівання матеріалів відбувалося швидше, ніж можна було б пояснити дифузією, тобто розсіюванням. Це вказує на те, що випромінювання робить значний внесок у тепловий потік у ранні періоди після отримання теплового імпульсу, хоча внесок випромінювання зменшується в міру того, як дифузія стає переважною в пізніші періоди часу.

За словами вчених, закон Фур'є правильний, просто він не може пояснити всі процеси, які можна побачити під час передачі тепла. Учені вважають, що напівпрозорі матеріали випромінюють тепло всередину, тому що їхня структура діє як поглинач і джерело тепла. Це дозволяє теплу поширюватися від точки до точки, а не повільно розсіюватися.

Автори дослідження вважають, що їхнє відкриття дасть змогу розробити нові стратегії управління теплом у напівпрозорих матеріалах. Адже результати експерименту дають ширше розуміння того, як тепло поширюється у твердих тілах.

Як уже писав Фокус, учені створили абсолютно новий матеріал, форму та властивості якого можна змінювати протягом декількох хвилин. Цей матеріал допоможе в створенні нових м'яких роботів.