Mikroskopijne ścieżki efektywnego przenoszenia ciepła w materiałach energetycznych

(Wiadomości z NanwerkuNaukowcy z laboratorium NOMAD poczynili ostatnio ogromne postępy w oświetlaniu podstawowych zjawisk mikroskopowych, które mogą kierować dostosowywaniem materiałów do izolacji termicznej. Ten przełom napędza bieżące inicjatywy mające na celu poprawę efektywności energetycznej i poprawę zrównoważonego rozwoju.

Wymiana ciepła odgrywa zasadniczą rolę w niezliczonych zastosowaniach naukowych i przemysłowych, takich jak kataliza, technologia turbin i termoelektryczne konwertery ciepła, które przekształcają ciepło odpadowe w energię elektryczną. Szczególnie w dziedzinie oszczędzania energii i rozwoju zrównoważonych technologii materiały o doskonałych właściwościach termoizolacyjnych mają ogromne znaczenie. Materiały te ułatwiają wychwytywanie i wykorzystanie ciepła, które w przeciwnym razie rozpraszałoby się do otoczenia. Dlatego optymalizacja projektowania materiałów o wysokiej izolacyjności jest głównym celem badawczym, który skutecznie promuje bardziej energooszczędne zastosowania. Tymczasowe tworzenie defektu w jodku miedzi. Chociaż defekty te trwają tylko kilka pikosekund, czyli jedną bilionową sekundy, mają ogromny wpływ na makroskopowe procesy wymiany ciepła. (Zdjęcie: Florian Knopp, Nomad Lab)

Jednak zaprojektowanie mocnych izolatorów termicznych nie jest łatwe, mimo że podstawowe zasady fizyczne, które za nimi stoją, są rozumiane od prawie wieku. Mikroskopowy transport ciepła w półprzewodnikach i izolatorach jest zwykle rozumiany jako zbiorowe drgania atomów wokół pozycji równowagi w sieci krystalicznej. Oscylacje te, określane w polu jako „fonony”, obejmują dużą liczbę atomów w ciałach stałych, obejmując tym samym duże, submikroskopowe, czasowe i przestrzenne skale.

Niedawna wspólna publikacja w ocena fizyczna b (Sugestie redaktora) f Fizyczne listy przeglądowe (Niedopasowania w izolatorach termicznych: analiza podstawowych zasad), od naukowców z laboratorium NOMAD z siedzibą w Fritz Haber Institute, znacznie rozszerzył moc obliczeniową do obliczania przewodności cieplnej z niespotykaną dokładnością i bez polegania na danych eksperymentalnych.

Naukowcy wykazali, że dla silnych izolatorów cieplnych wspomniany model fononów jest niewystarczający. Wykorzystali obszerne obliczenia na superkomputerach Towarzystwa Maxa Plancka, North German Supercomputing Alliance i Gülich Center for Supercomputing i zbadali ponad 465 materiałów krystalicznych, których przewodność cieplna nie została jeszcze zmierzona.

Oprócz zidentyfikowania 28 silnych izolatorów termicznych, z których sześć wykazało bardzo niską przewodność cieplną porównywalną z drewnem, badanie to rzuciło światło na często pomijane mechanizmy zdolne do systematycznego zmniejszania przewodności cieplnej.

„Wykryliśmy przejściowe formowanie się struktur defektów, które radykalnie zmieniają ruch atomów na niewiarygodnie krótki czas” – mówi dr Florian Knopp (obecnie na Uniwersytecie w Linköping), główny autor obu artykułów.

dodaje dr. Christian Carpogno, główny autor badań.

Takie odkrycia mogą otworzyć nowe możliwości mikromodulacji i projektowania izolatorów termicznych w nanoskali poprzez inżynierię defektów, co może przyczynić się do postępu w technologii oszczędzania energii.