Badanie wyjaśnia podstawowe mechanizmy mikroskopowe

Naukowcy z NOMAD Lab rzucili niedawno światło na leżące u podstaw mikroskopijne mechanizmy, które mogą pomóc w projektowaniu materiałów do izolacji termicznej. Rozwój ten wzmacnia trwające wysiłki na rzecz poprawy efektywności energetycznej i zrównoważonego rozwoju.

Rola wymiany ciepła ma kluczowe znaczenie w wielu zastosowaniach naukowych i przemysłowych, takich jak kataliza, technologie turbin i termoelektryczne konwertery ciepła, które przekształcają ciepło odpadowe w energię elektryczną.

Szczególnie w kontekście oszczędzania energii i rozwoju zrównoważonych technologii pierwszorzędne znaczenie mają materiały o wysokich właściwościach termoizolacyjnych. Materiał ten pozwala zatrzymać ciepło i wykorzystać je na próżno. Dlatego optymalizacja projektowania materiałów o wysokiej izolacyjności jest głównym celem badawczym umożliwiającym bardziej energooszczędne zastosowania.

Jednak solidne zaprojektowanie izolatorów termicznych to nie lada wyczyn, pomimo faktu, że podstawowe prawa fizyczne są znane od prawie wieku. Na poziomie mikroskopowym przenoszenie ciepła w półprzewodnikach i izolatorach rozumiano jako zbiorową oscylację atomów wokół ich pozycji równowagi w sieci krystalicznej. Oscylacje te, zwane w terenie „fononami”, obejmują ogromną liczbę atomów w ciałach stałych, a więc obejmują prawie duże długości i skale czasowe.

W nowo dołączonym poście w ocena fizyczna b I Fizyczne listy przeglądowe, naukowcy z NOMAD Laboratory w Fritz Haber Institute opracowali możliwości obliczeniowe do obliczania przewodności cieplnej bez wkładu eksperymentalnego z niespotykaną dokładnością. Wykazali, że dla silnych izolatorów cieplnych wspomniany obraz fononowy nie jest odpowiedni.

Korzystając z wielkoskalowych obliczeń na superkomputerach w Towarzystwie Maxa Plancka, North German Supercomputing Alliance i Jülich Supercomputing Center, zbadali ponad 465 materiałów krystalicznych, których przewodność cieplna nie została jeszcze zmierzona. Oprócz znalezienia 28 silnych izolatorów termicznych, z których sześć ma bardzo niską przewodność cieplną w porównaniu z drewnem, badanie to podkreśla dotychczasowy mechanizm moderacji, który pozwala systematycznie obniżać przewodność cieplną.

„Zaobserwowaliśmy tymczasowe powstawanie struktur defektów, które znacząco wpływają na ruch atomów przez bardzo krótki okres czasu” – mówi dr Florian Knopp (obecnie Linköping University), pierwszy autor obu publikacji.

„Efekty te są zwykle pomijane w symulacjach przewodności cieplnej, ponieważ defekty te są tak krótkotrwałe i mikroskopijnie zdefiniowane w porównaniu z typowymi metrykami wymiany ciepła, że ​​zakłada się, że są nieistotne. Jednak przeprowadzone obliczenia wykazały, że prowadzą one do niższej przewodności cieplnej” ”, dodaje dr Christian Carpogno, starszy autor badań.

Pomysły te mogą zapewnić nowe możliwości strojenia i projektowania izolatorów termicznych w nanoskali poprzez inżynierię defektów, co może przyczynić się do postępu w technologii oszczędzania energii.