Geleneksel termodinamik, ısı transferi sürecinin her zaman yüksek sıcaklıklı bölgeden düşük sıcaklıklı bölgeye doğru gerçekleştiğini kabul eder. Ancak İsviçre’deki EPFL bünyesinde çalışan araştırmacılar, bu sürece farklı bir boyut kazandırıyor. Ekip, yüksek dereceli kristal yapılı malzemelerde ısının sıra dışı bir davranış sergilediğini saptadı. Belirli koşullar altında ısı, soğuk bölgelerden sıcak bölgelere doğru hareket ediyor. Bu mekanizma, termodinamik yasalarını ihlal etmeden gerçekleşiyor.
Fourier Yasası ve Isı Transferi Mekanizması
Geleneksel fizik modelleri, ısı transferi mekanizmasını 1822 tarihli Fourier Yasası ile açıklar. Çalışmanın lideri fizikçi Nicola Marzari, bilim dünyasının ısıyı her zaman Fourier’in difüzyon yasasına göre düşündüğünü belirtiyor. Newton’un çalışmalarına dayanan bu yasa, ısı transferinin malzemenin iletkenlik özelliğine ve sıcaklık farkına (gradyanına) bağlı olduğunu savunur. Marzari, denklemdeki temel bir detayı şöyle açıklıyor:
“Isı akımı ile sıcaklık gradyanı arasındaki eksi işareti, ısının her zaman sıcak bölgelerden soğuk bölgelere aktığı gerçeğini yansıtır.”
- Tarihsel Arkaplan: 1960’larda katı helyum üzerindeki deneyler, ısının bir dalga gibi yayılabileceğini (ikinci ses) kanıtladı. Marzari, o dönemde bu fenomenin “oldukça egzotik” kabul edildiğini ve sadece mutlak sıfırın birkaç derece üzerindeki çok düşük sıcaklıklarda gerçekleşebildiğini hatırlatıyor.
- Sıcaklık Rejimi: Marzari ve ekibi, 2015 yılında bu davranışın iki boyutlu katmanlardan grafit ve elmasa kadar pek çok malzemede, çok daha yüksek sıcaklıklarda görülebileceğini gösterdi. 2019 ve 2022’deki grafit deneyleri, bu öngörüleri 100 K ve 200 K seviyelerinde doğruladı.
Fonon Hidrodinamiği ile Isı Transferi Kontrolü
Katı maddelerde ısıyı, fonon adı verilen atomik titreşimler taşır. Fononlar normal şartlarda birbirleriyle çarpışarak enerjiyi dağıtır (Fourier Yasası). Ancak malzemenin mikroskobik düzeni yeterince yüksekse, fononlar toplu halde, tıpkı bir sıvı gibi hareket eder. Fizikçiler bu sürece “fonon hidrodinamiği” diyor.
Bu akışkan benzeri davranış, ısı akışı içerisinde vortekslerin (girdapların) oluşmasını sağlar. Marzari’ye göre, bu rejimdeki engeller akışkanı geriye doğru yönlendirebilir. Böylece ısı, yerel ölçekte soğuk bir bölgeden sıcak bir bölgeye doğru akar. Bu durum, bilim insanlarına ısıyı bir sıvı gibi yönlendirme ve hatta tek yönlü “termal diyotlar” üretme imkanı tanıyor.
Viskoz Denklemler ve Isı Transferi Analojisi
Araştırmacılar, 2020 yılında Fourier difüzyonunu ve hidrodinamik rejimi kapsayan birleşik bir ısı yayılım teorisi geliştirdi. Bu çalışma, 1822’deki Fourier Yasası ve 1929’daki Peierls-Boltzmann taşıma denklemi gibi köklü teorileri tek bir çatıda topluyor.
Ekip, geliştirdikleri “viskoz ısı denklemleri” sayesinde ısı akışını artık çok daha hassas bir şekilde öngörebiliyor. Bu yeni yaklaşımda bilim dünyası, gerçek akışkanların (gemilerin, uçakların ve hatta arıların havada kalmasını sağlayan mekanizmaların) dinamiğinden gelen bilgileri ısı transferine uyguluyor.
Sıkıştırılamazlık ve Isı Transferinde Negatif Direnç
Araştırma ekibi, grafit şeritler üzerindeki ısı akışını Fourier uzayı çerçevesinde analiz etti. Ekip, bu çalışmayı Physical Review Letters dergisinde yayımladı. Analizler, hidrodinamik bir sistemin sıcaklık profilinin iki ana bileşenden oluştuğunu gösteriyor: Vortisite (ısı akışının nasıl girdaplandığı) ve sıkıştırılabilirlik (ısı akışının nasıl sıkıştığı).
Ekip üyesi Enrico Di Lucente, ısı geri akışının sıkıştırılamazlık özelliği arttığında zirveye ulaştığını belirtiyor. Sıkıştırılamayan bir ısı akışı, bir dirençle karşılaştığında daralmak yerine geriye doğru yönleniyor. Bu süreç, cihaz genelinde negatif termal direnç oluşturuyor. Gözlemlenen etki şu an için küçük ölçekli olsa da, araştırmacılar bu mekanizmayı maksimize etmeyi hedefliyor.
Teknolojik Öngörüler ve Gelecek Çalışmalar
Bu bulgular, mikroelektronik cihazlarda enerji kaybı anlayışımızı değiştirebilir. Araştırmacılar şu uygulama alanlarını inceliyor:
- Hidrodinamik Isı Kalkanları: Akıllı telefonlarda ısıyı bataryadan uzaklaştırarak aşırı ısınmayı engelleyen kalkanlar.
- Egzotik Geometriler: Isı akışını maksimize etmek için mikroskobik düzeyde hassas işlenmiş “Noel ağaçları” veya “Tesla valfleri”.
- Deneyler ve Yeni Görevler: Enrico Di Lucente, çalışmalarına Columbia Üniversitesi’nde devam ediyor. Nicola Marzari ise Cambridge Üniversitesi’nde yeni “Cavendish Fizik Profesörü” olarak bu araştırmaları ileriye taşıyor.
Araştırma ekibi, teorik tahminleri doğrulamak için çalışmalarını sürdürüyor. Bu amaçla mikroskobik düzeyde hassas işlenmiş yapılar üzerinde deneysel testler yapıyorlar.
Haberi Derleyen: Dilara SİPAHİ
KAYNAKÇA:
Fluid flow: how heat can move from cooler to warmer regions