Учёные связали теплопроводность силикатных стёкол со скоростью звука в них

Учёные Тохокского университета (Япония) установили, что определяющим фактором теплопроводности силикатных стёкол является скорость звука в материале, а не его теплоёмкость. Исследование опубликовано в журнале Applied Physics Letters как избранная статья (DOI: 10.1063/5.0351403). Авторы — Сохэй Сукэнага, Бунта Одзато и Хироюки Сибата.

Как тепло движется сквозь стекло

В отличие от металлов, в силикатном стекле перенос тепла не определяется движением свободных электронов. В силикатном стекле тепло переносят прежде всего колебания атомов, описываемые с помощью понятия фононов. У стекла нет регулярной кристаллической решётки. На теплопроводность влияют три параметра: теплоёмкость (сколько энергии материал запасает при нагреве), скорость звука (как быстро распространяются эти колебания) и средняя длина свободного пробега фонона (как далеко они проходят до рассеяния).

До сих пор не было ясно, какой из этих параметров играет главную роль в стёклах разного состава.

Что выяснили учёные

Команда измерила теплопроводность, скорость звука, объёмную теплоёмкость и длину свободного пробега фонона в 13 различных составах силикатного стекла при комнатной температуре. Анализ данных выявил две взаимосвязанных закономерности:

• стёкла с более высокой скоростью звука демонстрируют более высокую теплопроводность — связь оказалась прямолинейной и устойчивой;
• теплоёмкость и длина свободного пробега фонона изменяются в противоположных направлениях: у стёкол с высокой теплоёмкостью средний пробег фонона короче, и наоборот;
• произведение теплоёмкости на длину пробега остаётся примерно постоянным у всех 13 исследованных составов.

Иными словами, эти два параметра «компенсируют» друг друга — и именно поэтому скорость звука оказывается главным фактором в исследованной группе составов, от которого зависит теплопроводность конкретного состава стекла.

Практическое значение для электроники

Оксидное стекло широко применяется в электронике в качестве подложки и изолятора. По мере роста мощности процессоров, дисплеев и компонентов 5G-оборудования отвод тепла становится всё более критичным параметром. До сих пор разработчикам приходилось подбирать стеклянные материалы опытным путём — испытывая множество составов и измеряя их теплопроводность.

Новые данные предлагают иной подход: чтобы сделать стекло более теплопроводящим, нужно прежде всего повышать скорость звука в нём — а этого можно достичь, управляя составом и структурой материала. По словам авторов, работа — шаг к пониманию основного принципа проектирования теплопроводности стеклянных материалов.

Читайте также: Мягкая ионная сшивка сделала стеклообразный пластик прочнее и жёстче.

Открытые вопросы остаются: распространяется ли выявленная закономерность на другие классы стёкол (не только силикатные) и сохраняется ли она при температурах выше комнатной. Исследователи планируют это проверить.