众所周知,热传递有三种方式:对流、辐射和传导。对流是指液体的整体移动,比如热水在凉水会上升。辐射则只限于红外光线。目前这两种方法都可以达到合理控制。传导很像是声音的传播。这种传播是原子震动引起的,并向邻近物体传递。因此,控制热量通过固体传导时至今日还是一道难题。
马尔多瓦在《物理评论快报》上表示,这个发明是基于声音过滤器的理念,即通过水晶传递声波在消除特定频率的同时允许其他频率通过。水晶原子之间缝隙的大小决定了哪种频率的声波可以通过。此外,可以在水晶的原子点阵之间故意制造裂纹来控制声音的传播路径。这些裂纹起到了波导的作用,声能在裂纹之间传递。
据了解,声音传递和热量传递之间的一个区别在于声波的频率低,每秒只震动几千次,而大部分热波的频率很高,每秒震动数万亿次。通常低频率比高频率传播的更远,像声纳就使用低频率声音,鲸鱼在唱歌的时候也发出低频率声音。这就是之前的研究者试图在水晶点阵之间传播热能时遇到困难的原因。
然而,马尔多瓦认识到尽管很多热波的频率很高,但有些热波的频率接近声波频率。他的理论是,如果把频率最高的热波去掉,其余的热波就有可能得到控制。
为了验证这个观点,他研制出一种硅晶体,晶体的点阵之间含有细小的锗颗粒。散乱的晶体布局阻挡了高频率的热波,却允许低频率的热波通过。这些可以通过晶体的热波频率范围在每秒震动1千亿次到3千亿次之间。他们依然是热波而且带着热量,但是这些热波的频率比较低,所以它们的传导方式和声音的传播方式极其类似。
这样就可以在波导上控制热波的传导途径,使热波传导和声波传导一样紧密。
尽管把这类晶体转化成实用产品还需要进一步的试验。但马尔多瓦认为,这类晶体可以马上投用到热电材料的制作上,将废热转化为电能,最后通向热当量的二极管,可以建立和电路类似的热路。
控制对流热流一直是科学界思考的问题,或许控制传导热流将会带来意想不到的能源技术发展。