Ένα σπάνιο ορυκτό ανακαλύφθηκε σε έναν μετεωρίτη αιώνων – ακόμη και στον Άρη, έχει αφήσει άφωνους τους επιστήμονες με την ιδιόμορφη θερμική συμπεριφορά του. Χωρίς να είναι ούτε κρύσταλλος, ούτε γυαλί, το υβριδικό αυτό υλικό, είναι αγωγός θερμότητας με τρόπο που δεν μοιάζει με κανενός άλλου.
Δηλαδή, αντί η θερμοκρασία του να αυξάνεται ή να μειώνεται, παραμένει αμετάβλητη.
Η σημασία της αγωγής θερμότητας στη σύγχρονη τεχνολογία
Οι κρύσταλλοι και το γυαλί διαχειρίζονται τη θερμότητα με εντελώς διαφορετικούς τρόπους, μια ιδιότητα που παίζει σημαντικό ρόλο σε πολλές σύγχρονες τεχνολογίες. Αυτές, περιλαμβάνουν από την κατασκευή μικρότερων και πιο αποδοτικών ηλεκτρονικών συσκευών, μέχρι την ανάκτηση χαμένης θερμότητας για ενέργεια και την παράταση της διάρκειας της ζωής των θερμικών ασπίδων που χρησιμοποιούνται στην αεροδιαστημική βιομηχανία.
Η βελτίωση της αποδοτικότητας και της ανθεκτικότητας των υλικών πίσω από τις τεχνολογίες αυτές, εξαρτάται από την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο η χημεία και η ατομική τους δομή (για παράδειγμα, αν είναι κρυσταλλική, υαλώδης, ή νανοδομημένη), επηρεάζουν τη μεταφορά θερμότητας.
Ο Michele Simoncelli, αναπληρωτής καθηγητής εφαρμοσμένης φυσικής και εφαρμοσμένων μαθηματικών στη Σχολή Μηχανικών του Κολούμπια, μελετά αυτήν την πρόκληση από τις βασικές αρχές. Με αριστοτελικούς όρους, μελετά «από την πρώτη βάση που είναι κάτι γνωστό», ξεκινώντας με τις θεμελιώδεις εξισώσεις της κβαντικής μηχανικής και την εφαρμογή μεθόδων μηχανικής μάθησης για την επίλυσή τους, με απόλυτη ακρίβεια.
Μετεωρίτες, ο Άρης και η ανακάλυψη ενός υβριδίου
Τα ευρήματα της μελέτης, δημοσιεύτηκαν στις 11 Ιουλίου στα Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών. Ο Simoncelli, σε συνεργασία με τον Nicola Marzari του ομοσπονδιακού ινστιτούτου τεχνολογίας της Ελβετίας στη Λοζάνη και τον Francesco Mauri του πανεπιστημίου Σαπιένσα στη Ρώμη, επιχείρησαν να προβλέψουν την ύπαρξη ενός υλικού που συνδυάζει τη θερμική συμπεριφορά του κρυστάλλου και του γυαλιού.
Μια ερευνητική ομάδα, με επικεφαλής τους Etienne Balan, Daniele Fournier, και Massimiliano Marangolo στο πανεπιστήμιο της Σορβόνης στο Παρίσι, αργότερα επαλήθευσε την πρόβλεψη, μέσα από πειραματικές μετρήσεις.
Αυτό το μοναδικό υλικό ταυτοποιήθηκε αρχικά σε μετεωρίτες και έχει επίσης ανιχνευθεί στον Άρη. Η φυσική πίσω από τις ασυνήθιστες ιδιότητες της θερμικής συμπεριφοράς του, θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέους τρόπους σχεδιασμού υλικών που αντέχουν σε ακραίες διαφορές θερμοκρασίας, ενώ ταυτόχρονα προσφέρει ενδείξεις για τη θερμική ιστορία των πλανητών.
Κρύσταλλοι vs. Γυαλί: Πώς η ατομική δομή επηρεάζει τη θερμότητα
Η θερμική αγωγιμότητα εξαρτάται από το αν ένα υλικό είναι κρυσταλλικό, με μια τακτοποιημένη διάταξη ατόμων, ή υαλώδες, με μια άτακτη, άμορφη δομή, κάτι που επηρεάζει τον τρόπο ροής της θερμότητας σε κβαντικό επίπεδο. Γενικά, η θερμική αγωγιμότητα στους κρυστάλλους μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας, ενώ στα γυαλώδη υλικά αυξάνεται με τη θέρμανση.
Το 2019, οι Michele Simoncelli, Nicola Marzari και Francesco Mauri ανέπτυξαν μία ενιαία εξίσωση που περιγράφει τις αντίθετες τάσεις της θερμικής αγωγιμότητας που παρατηρούνται σε κρυστάλλους και γυαλί — και, το πιο σημαντικό, αποτυπώνει και τη συμπεριφορά ενδιάμεσων υλικών με ατέλειες ή μερική αταξία, όπως εκείνων που χρησιμοποιούνται σε θερμοηλεκτρικά συστήματα ανάκτησης χαμένης θερμότητας, σε ηλιακά κύτταρα περοβσκίτη και σε θερμικά προστατευτικά επιστρώματα για θερμικές ασπίδες.
Πυρίτιο από μετεωρίτη αποκαλύπτει σπάνια θερμική σταθερότητα
Χρησιμοποιώντας αυτή την εξίσωση, διερεύνησαν τη σχέση μεταξύ ατομικής δομής και θερμικής αγωγιμότητας σε υλικά φτιαγμένα από διοξείδιο του πυριτίου, ένα από τα κύρια συστατικά της άμμου. Προέβλεψαν ότι μια συγκεκριμένη μορφή “τριδυμίτη” του διοξειδίου του πυριτίου, η οποία περιγράφηκε τη δεκαετία του 1960 ως συνηθισμένη στους μετεωρίτες, μπορεί να εμφανίζει τα χαρακτηριστικά ενός υβριδικού υλικού κρυστάλλου-γυαλιού, με θερμική αγωγιμότητα που παραμένει αμετάβλητη με τη θερμοκρασία. Αυτή η ασυνήθιστη συμπεριφορά θερμικής μεταφοράς παρουσιάζει αναλογίες με το φαινόμενο invar στη θερμική διαστολή, για το οποίο απονεμήθηκε το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1920.
Αυτό, οδήγησε την ομάδα στον σχηματισμό ερευνητικών ομάδων από τους Etienne Balan, Daniele Fournier, και Massimiliano Marangolo στη Γαλλία, οι οποίοι πήραν άδεια από το Εθνικό Μουσείο Φυσικής Ιστορίας στο Παρίσι, προκειμένου να διεξάγουν πειράματα σε δείγμα διοξειδίου του πυρίτη που αποσπάστηκε από μετεωρίτη ο οποίος έπεσε το 1724 στο Steinbach της Γερμανίας.
Τα πειράματά τους, επαλήθευσαν τις προβλέψεις τους
Ο τριδυμίτης από μετεωρίτη, έχει ατομική δομή που συνδυάζει το οργανωμένο κρύσταλλο και το άτακτο γυαλί και, η θερμική της αγωγιμότητα, ουσιαστικά παραμένει σταθερή στο πειραματικά προσβάσιμο εύρος θερμοκρασιών από 80 K έως 380 K.
Με περαιτέρω έρευνα, η ομάδα προέβλεψε επίσης ότι αυτό το υλικό θα μπορούσε να σχηματιστεί μέσω θερμικής γήρανσης διάρκειας δεκαετιών σε πυρίμαχα τούβλα που χρησιμοποιούνται σε καμίνια για την παραγωγή χάλυβα.
Ο χάλυβας είναι ένα από τα πιο βασικά υλικά στη σύγχρονη κοινωνία, αλλά η παραγωγή του είναι ιδιαίτερα επιβαρυντική για το περιβάλλον: μόνο 1 κιλό χάλυβα εκπέμπει περίπου 1,3 κιλά διοξειδίου του άνθρακα, ενώ οι σχεδόν 1 δισεκατομμύριο τόνοι που παράγονται κάθε χρόνο αντιστοιχούν περίπου στο 7% των εκπομπών άνθρακα στις ΗΠΑ. Υλικά που προέρχονται από τον τριδυμίτη θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για πιο αποτελεσματικό έλεγχο της έντονης θερμότητας που απαιτείται στην παραγωγή χάλυβα, συμβάλλοντας στη μείωση του αποτυπώματος άνθρακα της βιομηχανίας χάλυβα.
ΤΝ, Κβαντική φυσική και το μέλλον του ελέγχου της θερμότητας
Στη νέα αυτή δημοσίευση στο PNAS, ο Simoncelli χρησιμοποίησε μεθόδους μηχανικής μάθησης για να ξεπεράσει τα υπολογιστικά εμπόδια των παραδοσιακών μεθόδων βασικών αρχών και να προσομοιώσει ατομικές ιδιότητες που επηρεάζουν τη μεταφορά θερμότητας με ακρίβεια επιπέδου κβαντομηχανικής. Οι κβαντικοί μηχανισμοί που διέπουν τη ροή θερμότητας μέσω υβριδικών υλικών κρυστάλλου–γυαλιού μπορεί επίσης να μας βοηθήσουν να κατανοήσουμε τη συμπεριφορά άλλων διεγέρσεων σε στερεά, όπως τα ηλεκτρόνια που μεταφέρουν φορτίο και τα μαγνόνια που μεταφέρουν σπιν.
Η έρευνα σε αυτά τα θέματα διαμορφώνει αναδυόμενες τεχνολογίες, όπως φορητές συσκευές που τροφοδοτούνται από θερμοηλεκτρικά υλικά, συσκευές νευρομορφικής υπολογιστικής και σπιντρονικές συσκευές που αξιοποιούν μαγνητικές διεγέρσεις για την επεξεργασία πληροφοριών.
Η ομάδα του Simoncelli, στο Κολούμπια, εξακολουθεί να ερευνά τα παραπάνω ζητήματα, δομημένα σε τρεις θεμελιώδεις πυλώνες:
- Διατύπωση θεωριών πρώτων αρχών για την πρόβλεψη πειραματικών παρατηρήσεων.
- Ανάπτυξη μεθόδων προσομοίωσης με τεχνητή νοημοσύνη για ποσοτικά ακριβείς προβλέψεις ιδιοτήτων υλικών.
- Εφαρμογή θεωρίας και μεθόδων για τον σχεδιασμό και την ανακάλυψη υλικών που θα επιλύουν συγκεκριμένες βιομηχανικές ή μηχανικές προκλήσεις.
