Ученые из СПбПУ анонсировали сразу два открытия

16 июля 2018
Середина лета ознаменовалась двумя достижениями ученых Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ).

Теплота охлаждения

В научном журнале «Continuum Mechanics and Thermodynamics» опубликована статья наших соотечественников, в которой они описали новые принципы охлаждения контуров высокотехнологичного оборудования. Ученые произвели математический расчет процессов распространения тепла в среде сверчистых кристаллов. Данное исследование было реализовано, благодаря гранту Российского научного фонда.

На примере квазичастицы - фонона - лаборанты описали процесс рождения между атомами колебательной энергии, которая возникает при нагреве любого твердого тела. Нагретые атомы создают большое количество фононов. Фононы передаются по кристаллической решетке, и атомы во всем материале начинают колебаться с большей амплитудой. Увеличение амплитуды колебаний атомов кристаллической решетки соответствует возрастанию температуры твердого тела.

Существующая теория теплопереноса утверждает, что тепловая энергия в твердых телах переносится фононами по аналогии с тем, как световая энергия переносится фотонами. Также эта теория учитывает возможность рассеивания (ослабления энергии) фононов из-за соударения с дефектами кристаллической решетки. При своем рассеянии фонон может менять направление движения, тем самым затрудняя процесс переноса тепла. Эта теория хорошо описывает распространение тепла в телах, содержащих большое количество дефектов, но плохо работает в случае сверхчистых кристаллов (реальных кристаллов, число дефектов в которых минимально).

Математическую модель ученых из СПбПУ описывает перенос тепловой энергии в твердых телах на основе разрабатываемой ими теории баллистической теплопроводности. Эта теория рассматривает бездефектные кристаллы как совокупности частиц, соединенных между собой связями, способными растягиваться и сжиматься. При проведении расчетов по такой модели ученые выяснили, что передача тепла в сверхчистых кристаллах связана со свободным распространением фононов. Существующие теории теплопереноса в этом случае неприменимы.

Исследователям еще предстоит завершить создание теории баллистической теплопроводности, и в своей нынешней работе они описали тот математический аппарат, который лежит в ее основе. На примере сверхчистого кристалла ученые показали, что созданная ими модель хорошо описывает предполагаемые свойства физической системы, но в некоторых аспектах противоречит классической теории.

Если ученым удастся показать, что созданный ими математический аппарат способен описывать наблюдаемые в реальности эффекты лучше существующей модели, то в будущем он сможет заменить классическую теорию. Исследователи СПбПУ совместно с коллегами из Берлинского технического университета уже ведут подготовку к эксперименту, который позволит проверить предсказания новой теории.

Нано-золото

Совместная работа петербургских ученых с Ганноверским университетом имени Лейбница и Физико-технического института имени Иоффе опубликована в журнале «Semiconductor Science and Technology». В статье «Механизм генерации зарядов на гетеропереходе TiO2—n-Si под действием золотых наночастиц» описан способ усовершенствования нанокомпозитного материала, имеющего большие перспективы для водородной энергетики и других научных областей.

В фокусе исследования находится композиционный материал – полупроводник на основе диоксида титана. Эффективное использование данного полупроводника может позволить энергии, заключенной между его слоями, высвобождаться и передаваться.

На основе экспериментов коллектив ученых также предложил физическую модель, описывающую происходящие процессы. Научная группа использовала композиционный материал, состоящий из кремниевой пластины, золотых наночастиц и тонкого слоя диоксида титана. Ученые решили электрически изолировать наночастицы от кремния.

В Петербурге международная научная группа разработала «технологический рецепт» создания новой структуры, затем в Ганновере была создана ее основная часть – пластина кремния с диэлектрическими столбиками и располагающимися на них наночастицами золота.

На эксперимент ушло 10 дней.

Работа над проектом продолжается. Исследователи утверждают, что этот нанокомпозитный материал сможет применяться в оптических приборах, работающих в диапазоне видимого света. Кроме того, его можно использовать как катализатор, для получения водорода из воды или, например, для очистки воды. Также этот материал можно использовать как активный элемент для датчиков, которые регистрируют утечку газа или повышенную концентрацию вредных веществ в воздухе.


По материалам Газета.ру