Tim istraživača predvođen Univerzitetom Masačusets Amherst nedavno je pronašao izuzetak od 200 godina starog zakona, poznatog kao Furijeov zakon, koji reguliše kako toplota difunduje kroz čvrste materijale.
Iako su naučnici ranije pokazali da postoje izuzeci od zakona na nanorazmeri, istraživanje, objavljeno u Časopisu PNAS, prvo je koje pokazuje da zakon ne važi uvek na makro skali, i da je čisto elektromagnetno zračenje takođe na delu u nekim uobičajenim materijalima kao što su plastika i stakla.
„Ovo istraživanje je počelo jednostavnim pitanjem“, kaže Steve Granick, Robert K. Barrett, profesor nauke o polimerima i inženjering na UMass Amherstu i stariji autor rada. „Šta ako se toplota može prenositi drugim putem, a ne samo onim koji su ljudi pretpostavljali?“
Sjajna toplota je toplota koju osećamo od sunca; njegovi elektromagnetni talasi zagrevaju našu kožu kada sunce sija. Difuzija, s druge strane, je način na koji će vaša šolja za čaj zagrejati vašu ruku nakon što sebi sipate svežu šolju. Tokom 200 godina, naučnici su verovali da difuzija objašnjava kako toplota putuje kroz čvrsta tela. „Ali ponekad“, kaže Granik, „kreativnost zahteva da odložite udžbenik na trenutak.
Granik, Shankar Ghosh sa Instituta za fundamentalna istraživanja Tata i glavni autor Kaikai Zheng, viši naučni saradnik na UMass Amherst, pretpostavili su da se izuzetak od Furijeovog zakona može naći u providnim polimerima i neorganskim staklima. Toplota se širi kroz oba materijala, ali tim je pretpostavio da bi njihova translucencija takođe mogla dozvoliti da energija zrači i kroz materijale.
Da bi testirali hipotezu, smestili su uzorke materijala u vakuumsku komoru, koja bi eliminisala vazduh koji je odgovoran za konvektivnu distribuciju toplote. Zatim su kreirali toplotni puls u jednom uzorku koristeći laser za zagrevanje male površine, a u drugom uzorku zagrevali su jednu stranu dok su drugu stranu održavali hladnom.
Zatim su koristili specijalnu infracrvenu kameru da posmatraju kako se toplota širi kroz njihove uzorke. Ponavljajući eksperiment mnogo puta, stalno su otkrivali anomalije koje Furijeov zakon nije mogao u potpunosti da objasni.
„Niko ovo ranije nije pokušao“, kaže Dženg. „Nešto neočekivano se dešava unutar providnih polimera.“
Ispostavilo se da prozirni materijali dozvoljavaju energiji da zrači iznutra, u interakciji sa malim strukturnim nesavršenostima, koje zatim postaju sekundarni izvori toplote. Ovi sekundarni izvori toplote i dalje zrače toplotu kroz materijal.
„Nije da je Furijeov zakon pogrešan“, brzo naglašava Granik, „samo da ne objašnjava sve što vidimo kada je u pitanju prenos toplote. Fundamentalna istraživanja poput našeg daju nam prošireno razumevanje kako toplota funkcioniše, što će ponuditi inženjerima nove strategije za projektovanje toplotnih kola.“
