В вузе создают новые методы моделирования теплопроводности

Инновации помогут улучшить работу смартфонов, а также зрение человека

И.о. заведующего кафедрой «Физика» Игорь Кудинов разрабатывает новые методы моделирования процессов теплопроводности для широкого спектра объектов исследования. Его идеи подойдут для работы с наноразмерными и гетерогенными материалами, разреженными газами, биологическими тканями. В будущем такие методы можно будет использовать и в высокоточной медицине – например, при лазерной коррекции зрения.

Теплопроводность – это процесс переноса теплоты, осуществляемый с помощью частиц – носителей энергии. Однако в классических моделях теплопроводности молекулярно-атомное строение вещества не учитывается. На практике это зачастую приводит к большим погрешностям. Поэтому из-за невысокой точности такие модели не всегда можно использовать, к примеру, в лазерных технологиях или высокоточной медицине. Предложенный Кудиновым новый, более точный метод моделирования теплопроводности основан на учете расстояния и времени между соударениями частиц – носителей энергии (молекул, атомов, электронов и т.п.).

– Полученные с помощью модели двухфазного запаздывания результаты можно применить для описания процессов теплообмена в технологических элементах микроэлектроники, состоящих из нескольких атомных слоев материала, например, на основе графена. В практических условиях такие элементы работают при высокоинтенсивных тепловых нагрузках, что может приводить к нарушению технологических режимов, а также к разрушению конструкций, – рассказал ученый.

Серьезной проблемой, накладывающей ограничения на развитие современных технологий микроэлектроники, стала необходимость охлаждения элементов, выделяющих в процессе работы большое количество теплоты – процессоров, аккумуляторных батарей, дисплеев смартфонов, ноутбуков и персональных компьютеров. Разработка новых систем охлаждения также невозможна без точного моделирования процессов теплообмена.

Кроме этого, модель двухфазного запаздывания подходит для моделирования переноса тепла в наноматериалах при их облучении ультракороткими лазерными импульсами, а также в живых тканях. Поэтому исследование будет вполне востребовано в области медицины. Выполненные расчеты помогут проводить сложные операции, например, лазерную коагуляцию сетчатки глаза, при минимальной травматизации.

Полномасштабное внедрение разрабатываемых в Политехе моделей переноса теплоты станет возможным после их распространения на многомерные случаи.

Работа выполнена при поддержке Минобрнауки России. Результаты исследований опубликованы в журнале Continuum Mechanics and Thermodynamics.