Ada pengecualian yang mengejutkan

Para ilmuwan telah menemukan pengecualian terhadap hukum ilmiah berusia 200 tahun yang mengatur bagaimana panas berpindah melalui bahan padat.

Dikenal sebagai Hukum Fourier, hukum ini menjelaskan bagaimana panas dipindahkan atau dihantarkan melalui bahan padat. Ketika molekul bergetar dan elektron bergerak, panas menyebar dari ujung benda yang lebih panas ke ujung benda yang lebih dingin dengan laju yang sebanding dengan perbedaan suhu dan luas area aliran panas.

Namun, dalam beberapa dekade terakhir, para peneliti telah menemukan bahwa pada skala nano model difusi ini tidak berfungsi; Hukum Fourier gagal dan tidak lagi dapat memprediksi seberapa cepat atau lambat panas akan berpindah melalui material padat.

Fisikawan polimer Kaikai Zheng dari Universitas Massachusetts, Amherst, dan rekan-rekannya bertanya-tanya apakah pengecualian serupa terhadap hukum Fourier mungkin ada pada skala makro, pada bahan transparan seperti polimer tembus cahaya dan gelas anorganik.

Bahan-bahan ini tembus cahaya dan mentransmisikan beberapa panjang gelombang cahaya. Meskipun cahaya tidak terserap seluruhnya seperti pada bahan buram, cahaya tersebar dan dipantulkan dari kotoran dalam struktur bahan.

Hal ini membuat Zheng dan rekannya berhipotesis bahwa selain panas yang melewati material padat ini, sifat tembus cahayanya juga memungkinkan energi panas melewati material dalam bentuk radiasi termal. Panas radiasi dibawa melalui udara sebagai gelombang elektromagnetik, terutama radiasi infra merah, dan contohnya adalah panas yang kita rasakan dari sinar matahari.

“Penelitian ini dimulai dengan sebuah pertanyaan sederhana,” jelas penulis utama Steve Granick, seorang ilmuwan material juga di Universitas Massachusetts, Amherst. “Bagaimana jika panas bisa dipindahkan [through solids] jalan yang berbeda, bukan hanya yang diasumsikan orang?”

Jadi para ilmuwan menjepit potongan bahan uji dan menggantungkannya, satu per satu, di ruang vakum yang dibuat khusus. Kevakuman menghilangkan kemungkinan menghilangkan panas dari material melalui udara.

“Untuk menemukan pelanggarannya [in Fourier’s law] pada skala makroskopis, hal ini akan mengejutkan karena melampaui pemikiran standar yang ada di buku teks,” tulis para peneliti dalam makalah mereka sambil merefleksikan pemikiran mereka dalam eksperimen.

Tim tersebut menembakkan pulsa laser sepersekian detik ke material untuk memanaskannya, dan mengukur bagaimana panas merambat melalui masing-masing material menggunakan tiga metode: sensor suhu yang ditempatkan langsung pada permukaan material; mengukur perubahan warna lapisan peka suhu yang diterapkan pada sampel; dan kamera inframerah.

“Data menunjukkan pemanasan [occurred] lebih cepat daripada yang dapat dikaitkan dengan difusi,” tulis para peneliti, “menunjukkan bahwa radiasi memberikan kontribusi yang signifikan terhadap fluks panas pada masa-masa awal setelah gelombang panas, meskipun kontribusi relatif dari radiasi menurun ketika difusi menjadi dominan di kemudian hari.”

“Bukannya hukum Fourier salah,” Granick menjelaskan, “hanya saja hukum tersebut tidak menjelaskan semua yang kita lihat dalam kaitannya dengan perpindahan panas.”

Tim peneliti berpendapat bahwa bahan tembus cahaya memancarkan panas secara internal karena ketidaksempurnaan struktural bertindak sebagai penyerap dan sumber panas, memungkinkan panas menyebar dari titik ke titik daripada menyebar secara perlahan.

Mereka menambahkan bahwa temuan mereka dapat membantu para insinyur merancang strategi baru untuk mengendalikan panas dalam bahan tembus cahaya, karena penelitian mereka memberikan pemahaman yang lebih luas tentang bagaimana panas merambat dalam benda padat – sekitar 200 tahun setelah fenomena tersebut pertama kali dijelaskan secara matematis.

Studi ini dipublikasikan di PNAS.