“Размер имеет значение” – этот игривый рекламный слоган, как ни удивительно, очень точно определяет смысл и устремления нано- наук и технологий. Именно когда уменьшение размера приводит к новым качествам, закономерностям, возможностям – это и есть область осмысленного перехода к НАНО-.

Простое же уменьшение размеров меньше узаконенных долей метра, как это установлено собранием Академии Наук, позволяет почти каждому считать себя участником нанопроектов – ведь, как минимум, мы все состоим из атомов и молекул.

Конечно, не в каждом случае понятно, перешли ли количественные изменения в качественные. Но и бесспорные примеры качественных изменений при переходе в наномир уже не единичны. Некоторые даже вышли из стен лабораторий – хотя бы те же лазеры на квантовых точках. Тем интереснее задуматься об особенностях явлений, которые пока не стали расхожим сюжетом в нанометровой тусовке.

Среди таких малоизвестных аномалий – исчезновение температуры. Причем не полное отсутствие, а именно исчезновение как процесс, который в нанометровой области начинает разворачивается, а заканчивается отсутствием температуры как физического понятия в применении к отдельным частицам. При этом оказывается, что это не просто философский парадокс, а комплекс явлений, из которого человечество, возможно, сможет извлечь кое-какую пользу в виде специфических устройств.

Михаил Евгеньевич Компан, доктор физико-математических наук,
лауреат Корчаковской премии 2001 года, ведущий научный сотрудник
ФТИ им А.Ф. Иоффе РАН, г. Санкт-Петербург

Та же проблема иногда формулируется чуть иначе: окружающий мир состоит из атомов и молекул, которые по отдельности двигаются по законам динамики, обратимым по направлению времени. В то же время массы атомов и молекул двигаются по законам статистики, по знаку времени необратимым. И, следовательно, законы природы должны меняться при смене масштаба. Вот только в какой момент? «…Где начало того конца, которым заканчивается начало…?»

Оказывается, нет необходимости опускаться по масштабу до отдельных атомов, необычные явления в распространении тепла встречаются уже на масштабах десятков нанометров, что в сотни раз больше размеров атомов. Обусловлено это тем, что тепло в твердом теле – это колебания атомов, а квантовая единица (квазичастица) собственного колебания кристаллической решетки – фонон – много больше, чем отдельные атомы той же решетки. В тех случаях, когда распространение тепла обусловлено переносов фононов, можно обнаружить необычные явления при распространении тепла в нанометровых объектах.

Наиболее ярким результатом из этой области явилось обнаружение асимметрии коэффициента теплопроводности, или «теплового диода» [1,2]. В совместной работе исследователей из University of California at Berkeley и Lawrence Berkeley National Laboratory (США) [2] экспериментально изучалась теплопроводность между двумя материалами с разными фононными частотами.

Образцы этих материалов были соединены тонким мостиком, таким, что собственные фононные частоты материала мостика, во-первых, зависели от координаты, а, во-вторых, зависели от температуры. Роль мостика, через который должно было распространяться тепло, играла углеродная нанопроволока. Изменение собственной частоты фононных колебаний вдоль проволоки было обеспечено за счет того, что на один конец нанопроволоки было нанесено покрытие из платиносодержащего соединения, плавно спадавшее по толщине по длине проволоки. Некоторое представление об объекте исследования дает рисунок. Вверху – схема расположения частей , внизу – ориентировочный вид зависимости частот фононов от координаты. Частоты фононов в мостике зависят от температуры. Из-за этого, в зависимости от знака разности температур, распределение фононных частот в мостике может либо способствовать переносу тепла между материалами тел 1 и 2 , либо препятствовать этому. На основе этой схемы в работе [2] получено отличие теплопроводностей во взаимно противоположных направлениях порядка 7%.

Полученный результат открывает путь для инженерии нелинейных тепловых явлений. Как пишут авторы, очевидным применением эффекта может быть пассивное кондиционирование, что могло бы сэкономить существенное количество энергии. Правда, осталось научиться выращивать конусные нановолокна квадратными метрами, причем закрепленными сразу с двух сторон. Но мало ли чему научилось человечество, когда это оказалось необходимым!

Более того, вдохновленные созданием «термодиода» авторы из National University of Singapore [3] экстраполировали ситуацию до «термотранзистора» и до элементов термо-компьютерной логики [4]. Другие, внешне менее эффектные особенности тепловых эффектов в наномире исследуются в University of California (Santa Cruz, США) и Indian Institute of Science (Bangalore, Индия) [5,6].

Трудно сказать заранее, какой из них окажет реальное влияние на нашу жизнь, войдя составной частью в какой-нибудь прибор или устройство. Но, как минимум, приставка «нано» по отношению к физике тепловых явлений оказывается не простым украшением.

Автор – М. Компан

• 1. Phys.Rev.Lett. 2002, 88, 094302
• 2. Science 2006, 314, 1121
• 3. Appl.Phys.Lett. 2006, 88, 143501
• 4. Phys.Rev.Lett. 2007, 99, 177208
• 5. Nature 2003, 421, 327
• 6. Phys.Rev.Lett. 2002, 89, 200601

Администрация сайта www. nanonewsnet выражает благодарность Михаилу Евгеньевичу за написание эксклюзивной статьи для нашего портала