Группа Гао Пэна из Пекинского университета совершила прорыв в изучении теплопередачи на атомном уровне. Ученые разработали метод, который позволяет буквально «увидеть», как тепло распространяется в материалах с точностью до нанометра. Раньше это было невозможно — существующие технологии не могли разглядеть процессы на таких крошечных масштабах.

Результаты опубликованы в издании Nature.

Исследователи использовали электронный микроскоп, чтобы измерить распределение температуры и тепловое сопротивление на границе двух материалов — нитрида алюминия (AlN) и карбида кремния (SiC). Оказалось, что при нагреве на стыке этих веществ температура резко меняется всего на 2 нанометра, а не плавно, как в объеме материала. Это значит, что граница между материалами замедляет тепло в 30–70 раз сильнее, чем сами вещества.

Но самое интересное — ученые обнаружили, что возле границы фононы (частицы тепла) ведут себя не так, как предсказывает теория. Вместо плавного перехода там возникает зона хаоса шириной около 3 нм, где тепло распределяется неравномерно. Это открытие поможет улучшить охлаждение микросхем, ведь в современных процессорах десятки таких границ, и каждая тормозит тепло.

Фононы — это квазичастицы, которые описывают колебания атомов в кристаллической решетке. Проще говоря, когда материал нагревают, атомы начинают дрожать, и эта «дрожь» передается от одного к другому — так распространяется тепло. Фононы — не настоящие частицы, а удобная модель, чтобы объяснить теплопроводность.

Стюарт Томас, редактор Nature, отметил:

Измерять температуру в наномасштабе уже сложно, но здесь пошли дальше — показали, как именно тепло проходит через границы. Это критически важно для электроники, где перегрев убивает производительность.

Этот метод даст инженерам инструмент, чтобы:

• Оптимизировать теплоотвод в чипах — чем точнее мы понимаем, где и почему возникает сопротивление, тем лучше можно спроектировать охлаждение.
• Уменьшить перегрев в мощной электронике — например, в транзисторах для 5G или электромобилей, где тепловые потери снижают КПД.
• Создавать новые термоэлектрические материалы — если научиться управлять фононами на границах, можно делать элементы, которые превращают тепло в электричество эффективнее.

Метод требует сложного оборудования — не каждый институт сможет повторить эксперимент. Кроме того, пока исследовали только одну пару материалов (AlN/SiC). Насколько универсален подход для других веществ — вопрос. Также неясно, как учитывать влияние самого электронного луча на измеряемые процессы.

Ранее математики смоделировали теплопередачу человеческих слез.