Các nhà khoa học đã chứng minh rằng nhiệt có thể chảy giống như nước—đem ra những con đường mới cho việc làm mát vi chip và các thiết bị khác.

Mặt trận mới trong quản lý nhiệt: cách tinh thể có thể “đổ” năng lượng

Các nhà khoa học từ Trường Polytechnique Liên bang Lausanne (EPFL) đã chứng minh lý thuyết rằng trong các tinh thể có trật tự cao và cực kỳ sạch, nhiệt có thể hành xử khác thường. Thay vì lan truyền phổ biến từ vùng nóng sang vùng lạnh, trong những vật liệu này xuất hiện dòng chảy hướng với xoáy và thậm chí là chuyển động ngược lại của nhiệt. Hãy tưởng tượng bạn bao quanh một cốc trà nóng bằng bàn tay – nhiệt bắt đầu “đóng băng”. Điều đó nghe thật kỳ diệu nhưng không mâu thuẫn với các định luật cơ học lượng tử.

Điều gì là phonon và chúng liên quan như thế nào đến nhiệt?
- Phonon – một hạt giả, đại diện cho đơn vị của chuyển động dao động của nguyên tử trong vật thể rắn.
- Trong lưới tinh thể lý tưởng, phonon truyền năng lượng, tức là nhiệt.
- Theo định luật thứ hai của nhiệt động học, dao động lan truyền từ các nguyên tử nóng hơn (có năng lượng cao) sang các nguyên tử lạnh hơn.

Làm sao có thể xuất hiện dòng chảy ngược lại của nhiệt?
1. Bảo toàn động lượng – trong tinh thể sạch, va chạm giữa phonon hầu như không làm thay đổi hướng chúng, cho phép tạo ra một dòng chảy tập thể “không nén” được.
2. Tình trạng thủy động học – khi chế độ gần không nén, dòng chảy không “bỏ năng lượng” vào ma sát mà hình thành xoáy và thậm chí quay lại phía nguồn nhiệt.
3. Kháng nhiệt âm – nhiệt có thể di chuyển từ vùng lạnh sang vùng ấm hơn, tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ âm, trong khi tổng entropy của hệ thống vẫn tăng.

Mô hình lý thuyết và xác nhận
- Các nhà khoa học đã phát triển một phương trình thủy động học, phân tích nó thành các yếu tố chính của hành vi dòng chảy.
- Các mô phỏng số trên dải graphene hai chiều đã xác nhận khả năng quan sát hiệu ứng này.
- Phân tích mới cung cấp công cụ để mô tả định lượng và tối ưu hóa dòng chảy nhiệt ngược.

Tại sao điều này quan trọng?
Vấn đề | Cách tiếp cận mới có thể giúp gì
---|---
Nhiệt độ quá cao của điện tử | Đổ “điều chỉnh” nhiệt từ các nút nóng sang vùng lạnh hơn, giảm hiện tượng quá nhiệt địa phương.
Mất năng lượng | Giảm lãng phí khi truyền năng lượng, tăng hiệu suất hệ thống.
Phát triển vật liệu mới | Khả năng thiết kế có mục tiêu cấu trúc với dòng chảy nhiệt được kiểm soát.

Tiếp theo là gì?
- Mô hình không chỉ áp dụng cho phonon mà còn cho các mang nhiệt khác: electron, exciton và nhiều hơn nữa, làm cho nó trở thành công cụ đa năng cho các công nghệ tương lai trong nano-electronics và năng lượng.
- Phát hiện mở đường tới việc tạo “máy bơm nhiệt” ở cấp độ lưới tinh thể, có khả năng quản lý nhiệt hiệu quả ngay cả trong thiết bị nhỏ gọn.

Vì vậy, nghiên cứu lý thuyết của EPFL cho thấy với cấu trúc và độ sạch phù hợp, ta không chỉ truyền nhiệt mà còn có thể điều hướng nó “ngược lại”, mở ra những triển vọng mới cho việc quản lý năng lượng ở cấp vi mô và nano.