המדענים הראו שהחום יכול לזרום כמו מים – פותחים דרכים חדשות לקרור של מיקרו-ציפויים ועוד.

הרחבות חדשות בניהול חום: כיצד גבישים יכולים „לשפוך“ אנרגיה

מדענים מבית הספר הפוליטכניקי הפדרלי בלוזאן (EPFL) הוכיחו תיאורטית כי בחומרים בעלי סדר גבוה ביותר ונקיים במיוחד, החום יכול להתנהג בצורה שונה מהרגיל. במקום התפשטות הרגילה של חום מחלקים חמים לחלקים קרים, בחומרים אלה מתרחשת זרימה מכוונת עם סיבובים ואפילו תנועה הפוכה של חום. דמיינו שאתם מרחפים על כוס תה חם בקלף – החום מתחיל „לקרור“. זה נשמע פנטסטי, אך אינו מנוגד לחוקי המכניקה הקוונטית.

מה הם פונונים וכיצד הם קשורים לחום?
- פונון הוא חלקיק מדומה שמייצג את קווינט של תנועת תנודות אטומים בגוף מוצק.
- ברשת גבישית אידיאלית, פונונים מעבירים אנרגיה, כלומר חום.
- לפי החוק השני של התרמודינמיקה, התנודות מתפשטות מאטומים חמים (עם יותר אנרגיה) לאטומים קרים.

כיצד יכולה להתעורר זרימה הפוכה של חום?
1. שמירת המומנט – בחומרים נקיים, התנגשות פונונים כמעט ולא משנה את כיוון תנועתם, מה שמאפשר יצירת זרימה קולקטיבית „בלתי-דחיסה“.
2. מצב הידרודינמי – בתנאי דה‑קונפרסיביות קרובה ל־אינקומפרסבילי, הזרימה אינה “נותנת” אנרגיה למתחים, אלא יוצרת סיבובים ואפילו חוזרת לכיוון מקור החום.
3. התנגדות חמה שלילית – חום יכול לנוע מחלקים קרים לחלקים חמים יותר, יוצר שינוי טמפרטורה שלילי, אך האנטרופיה הכוללת של המערכת עדיין עולה.

מודל תיאורטי ואימות
- מדענים פיתחו משוואה הידרודינמית, חלקו אותה לאלמנטים המרכזיים של התנהגות הזרימה.
- סימולציות מספריות על רצועת גרפיט דו‑ממדית אישרו את האפשרות לצפות באפקט כזה.
- אנליזה חדשה מספקת כלי לתיאור כמותי ולשיפור זרימת החום ההפוכה.

למה זה חשוב?
הבעיה: כיצד יכול הגישה החדשה לעזור? חימום יתר של אלקטרוניקה – שיפוע פעיל של חום מחלקים חמים לחלקים קרים, מצמצם את החימום המקומי. אובדן אנרגיה – הפחתת הפסדים בתעבורה של אנרגיה, העלאת יעילות המערכות. פיתוח חומרים חדשים – אפשרות לעיצוב מכוון של מבנים עם זרימת חום מתוכננת.

מה הלאה?
- המודל רלוונטי לא רק לפונונים אלא גם לנושאים אחרים: אלקטרונים, אקסיטונים וכד', מה שהופך אותו לכלי אוניברסלי לטכנולוגיות עתידיות בננו‑אלקטרוניקה ואנרגיה.
- גילוי זה פותח את הדרך ליצירת „מנועים חמים“ ברמת רשת הגביש, המסוגלים לנהל חום ביעילות גם במכשירים קטנים.

לכן, המחקרים התיאורטיים של EPFL מראים כי עם מבנה נכון וניקיון החומר ניתן לא רק להעביר חום אלא גם לכוון אותו „בכיוון הפוך“, פותחים אפשרויות חדשות לניהול אנרגיה ברמת המיקרו והננו.