«Мы были потрясены: тепло не перетекало между материалами. Оно застревало на границе». Учёные раскрыли секрет плазмы звёзд

Новое исследование, опубликованное в Nature Communications, впервые показало, как тепло движется — или, точнее, не движется — между материалами в состоянии плазмы высокой плотности энергии. Это открытие важно для разработки технологий термоядерного синтеза, а также для создания микрочипов и гиперзвуковых летательных аппаратов. 

Компьютерная визуализация рассеяния электронов на границе раздела между горячим материалом с высокой плотностью энергии слева и более холодным материалом с высокой плотностью энергии справа. Фото: Thomas White

Плазму высокой плотности можно создать только при экстремальных температурах и давлении, как в ядрах звёзд или планет. Учёные выяснили, что явление, называемое межфазовым тепловым сопротивлением, которое мешает передаче тепла в обычных условиях, также блокирует теплообмен в сверхгорячей плотной плазме. 

Исследование провели физик Томас Уайт из Университета Невады в Рино и его бывший аспирант Кэмерон Аллен. Они использовали мощный лазер Omega-60 в Университете Рочестера для нагрева вольфрамовой проволоки, покрытой пластиком. 

В эксперименте вольфрам нагрелся до 100 000 °C, тогда как пластиковое покрытие осталось «холодным» — всего 11 000 °C. Учёные сделали серию лазерных импульсов с разной задержкой, чтобы проверить, передаётся ли тепло от вольфрама к пластику. 

«Мы были потрясены: тепло не перетекало между материалами. Оно застревало на границе, и мы долго пытались понять, почему», — рассказал Уайт.

Причина оказалась в межфазовом тепловом сопротивлении: электроны из более горячего материала доходят до границы, но рассеиваются и возвращаются обратно, не передавая тепло. 

«Это открытие даёт новые знания о том, как энергия движется в экстремальных условиях, вроде тех, что существуют внутри звёзд», — отметил Джеремайя Уильямс, директор программы плазменной физики NSF. 

Результаты помогут лучше понять эксперименты по инерционному термоядерному синтезу, где лазеры пытаются запустить управляемую ядерную реакцию, а также улучшить технологии, связанные с обработкой полупроводников и гиперзвуковыми полётами.