Учёные выяснили, почему одни виды стекла проводят тепло лучше других
Японские учёные обнаружили, что теплопроводность стекла во многом определяется скоростью распространения звука внутри материала. Исследователи изучили 13 различных составов силикатного стекла и установили, что чем быстрее через них проходят звуковые волны, тем эффективнее передаётся тепло. Открытие может помочь в разработке новых материалов для электроники, которым необходимо быстро отводить тепло или, наоборот, препятствовать его распространению.
Исследование провели специалисты Университета Тохоку под руководством доцента Сохэя Сукэнаги. Учёные попытались выяснить, какие физические характеристики сильнее всего влияют на теплопроводность стекла. Несмотря на широкое использование этого материала в промышленности, механизмы переноса тепла в его неупорядоченной атомной структуре изучены не полностью.
В отличие от кристаллических материалов, где атомы образуют регулярную решётку, стекло обладает аморфной структурой. Тепловая энергия распространяется в нём благодаря колебаниям атомов, которые в физике описывают с помощью фононов — квазичастиц, связанных с колебательным движением вещества.
Исследователи измерили теплопроводность, скорость звука, объёмную теплоёмкость и среднюю длину свободного пробега фононов в 13 образцах силикатного стекла различного химического состава. Все измерения проводились при комнатной температуре.
Анализ показал неожиданную закономерность. В материалах с большей объёмной теплоёмкостью фононы обычно проходили меньшее расстояние до рассеяния. В результате произведение этих двух характеристик оставалось приблизительно постоянным, несмотря на различия в составе стекла.
При этом теплопроводность оказалась практически прямо пропорциональна скорости звука. Образцы, в которых звуковые волны распространялись быстрее, лучше передавали тепловую энергию. Таким образом, скорость звука стала главным показателем, позволяющим объяснить различия в теплопроводности исследованных материалов.
Это не означает, что обычный звук способен нагревать стекло или ускорять перенос тепла. Скорость распространения звуковых волн отражает особенности внутренней структуры и механических свойств материала, которые также влияют на движение тепловых колебаний.
По словам Сохэя Сукэнаги, полученные результаты дают исследователям более понятный ориентир для создания стекла с заданными тепловыми характеристиками. Вместо сложного анализа сразу нескольких параметров разработчики смогут уделять больше внимания скорости звука, которая поддаётся измерению и расчёту.
Практическое применение открытия связано прежде всего с электроникой. Стекло используется в дисплеях, электронных компонентах и подложках микросхем, где отвод тепла влияет на надёжность и срок службы оборудования. В других случаях, например при создании теплоизоляционных материалов, требуется противоположное свойство — низкая теплопроводность.
Исследование в журнале Applied Physics Letters.