Znajdź zawartość

Max Planck sformułował prawo o promieniowaniu ciała doskonale czarnego, które opisuje w jaki sposób energia jest rozpraszana, a zatem w jaki sposób np. energia cieplna z jednego ciała może przechodzić do drugiego ciała. Planck uważał jednak, że jego prawo może nie działać w miniaturowych systemach i zastrzegał, że dotyczy ono stosunkowo dużych obiektów. Przez całe dziesięciolecia naukowcom nie udało się sprawdzić ważności prawa Plancka w bardzo małych systemach. Dokonali tego dopiero naukowcy z MIT-u i odkryli, że transfer ciepła pomiędzy dwoma blisko położonymi obiektami może być nawet 1000-krotnie większy, niż dopuszcza to prawo Plancka. Dotychczas nikomu nie udało się przeprowadzić odpowiedniego eksperymentu, gdyż trudno jest zbliżyć do siebie dwa obiekty na wymaganą odległość tak, by się nie dotykały. Uczeni rozwiązali ten problem wykorzystując nie dwie płaskie powierzchnie, a jeden płaski obiekt oraz szklaną kulkę, której pozycję było łatwiej kontrolować. Jeśli mamy dwie równoległe płaszczyzny, to bardzo trudno jest zbliżyć je na odległość nanometrów tak, by żadne ich części nie zetknęły się ze sobą - mówi profesor Gang Chen. Kulka natomiast styka się z płaszczyzną tylko w jednym punkcie, łatwiej więc ją kontrolować. Profesor przyznaje, że przez lata próbował zbliżyć dwie płaszczyzny, ale najmniejsza odległość, w której nie stykały się, wynosiła mikron (jedna milionowa metra). Użycie kulki pozwoliło na zbliżenie przedmiotów na odległość 10 nanometrów (10 miliardowych metra), a więc stukrotnie mniejszą, niż odległość pomiędzy płaszczyznami. W przyszłości chce je zbliżyć jeszcze bardziej. Gdy już zbliżono oba przedmioty, naukowcy wykorzystali mikroskop sił atomowych do precyzyjnego pomiaru zmian temperatury obu ciał. Badania Chena tylko z pozoru przypominają zabawę w udowodnienie teorii. Przeprowadzenie laboratoryjnego eksperymentu pokazało, że przewidywania o złamaniu prawa Plancka w skali nano są prawdziwe. To z kolei niesie ze sobą ważne konsekwencje np. dla produkcji dysków twardych. We współczesnych HDD głowice odczytująco-zapisujące znajdują się w odległości 5-15 nanometrów od powierzchni. Głowice rozgrzewają się, a specjaliści od dawna zastanawiają się, czy tego ciepła nie udałoby się wykorzystać do kontrolowania odległości głowicy od dysku. Prace Chena przyczynią się też do rozwoju urządzeń termofotowoltaicznych, pozwalając na lepsze odzyskiwanie odpadowej energii cieplnej. Przydadzą się także innym naukowcom, którzy zyskali dowód, iż prawo Plancka nie stanowi w laboratorium fundamentalnej granicy i warto kontynuować eksperymenty tego typu. Tym bardziej, że mogą one pomóc w zrozumieniu pewnych podstawowych praw fizyki.

Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles stworzyli najmniejszą żarówkę na świecie. Jej drucik żarowy stanowi pojedyncza nanorurka o długości 100 atomów. Gołym okiem nie można go zobaczyć. Dopiero po zapaleniu żarówki zauważymy miniaturowe źródło światła. Miniaturowe urządzenie nie powstało jednak dla zabawy. Profesor Chris Regan i jego zespół stworzyli je, by zbadać zjawiska zachodzące na pograniczu termodynamiki i mechaniki kwantowej. Żarówka ma umożliwić przestudiowanie prawa Plancka, które opisuje emisję światła przez ciało doskonale czarne. Odnosi się ono do emisji z wielu obiektów, a naukowców szczególnie interesuje mikrofalowe promieniowanie tła, czyli pozostałość po Wielkim Wybuchu, również opisywane przez prawo Plancka. Żarnik miniaturowej żarówki składa się z mniej niż 20 milionów atomów. To wystarczająco dużo, by wyciągnąć istotne statystycznie wnioski na temat zachodzących zjawisk, a jednocześnie na tyle mało, że żarnik można uznać za urządzenie molekularne, a więc podlegające prawom mechaniki kwantowej. Naszym celem jest zbadanie, jak prawo Plancka ma się do miniaturowych obiektów. Te dwa tematy - emisja z ciała doskonale czarnego oraz skala nano - mieszczą się na pograniczu termodynamiki i mechaniki kwantowej, uważamy więc, że nasze urządzenie jest bardzo interesującym systemem do badania - stwierdził profesor Regan. Jako ciekawostkę można dodać, że żarnik miniaturowej żarówki jest bardzo podobny do tego, który znajdował się w żarówce Edisona. I tam żarnik składał się z węgla. Współczesny żarnik ma jednak objętość bilion razy mniejszą niż żarnik Edisona.