|
Гибридные материалы из метеоритного хрусталя
|
|
|
|
Кристаллы и стекла обладают противоположными свойствами теплопроводности, которые играют ключевую роль в различных технологиях. Они варьируются от миниатюризации и эффективности электронных устройств до систем рекуперации отработанного тепла, а также от срока службы теплозащитных экранов для аэрокосмических применений.
|
|
|
|
Проблема оптимизации эксплуатационных характеристик и долговечности материалов, используемых в этих различных областях применения, по сути, сводится к фундаментальному пониманию того, как их химический состав и атомная структура (например, кристаллическая, стекловидная, наноструктурированная) определяют их способность проводить тепло.
|
|
|
|
Мишель Симончелли (Michele Simoncelli), доцент кафедры прикладной физики и математики Columbia Engineering, рассматривает эту проблему, исходя из первых принципов, то есть, по словам Аристотеля, с точки зрения "первой основы, из которой познается вещь", начиная с фундаментальных уравнений квантовой механики и используя методы машинного обучения для решения. их с количественной точностью.
|
|
|
|
В исследовании, опубликованном 11 июля в журнале Proceedings of National Academy of Sciences, Симончелли и его коллеги Никола Марзари из Швейцарского федерального технологического института в Лозанне и Франческо Маури из Римского университета Сапиенца предсказали существование материала с гибридными термическими свойствами хрусталя и стекла, а команда экспериментаторов возглавила исследование. Этьен Балан, Даниэле Фурнье и Массимилиано Маранголо из Университета Сорбонны в Париже подтвердили это с помощью измерений.
|
|
|
|
|
|
|
Этот материал, первый в своем роде, был обнаружен в метеоритах, а также обнаружен на Марсе. Фундаментальная физика, лежащая в основе такого поведения, может способствовать нашему пониманию и разработке материалов, которые управляют выделением тепла при экстремальных перепадах температур, и, в более широком смысле, дать представление о тепловой истории планет.
|
|
Единая теория переноса тепла в атомарно упорядоченных кристаллах и неупорядоченных стеклах
|
|
|
|
Теплопроводность зависит от того, является ли материал кристаллическим, с упорядоченной решеткой атомов, или стекловидным, с неупорядоченной, аморфной структурой, которая влияет на то, как протекает тепло на квантовом уровне. Вообще говоря, теплопроводность в кристаллах обычно уменьшается с повышением температуры, в то время как в стеклах она увеличивается при нагревании.
|
|
|
|
В 2019 году Симончелли, Никола Марцари и Франческо Маури вывели единое уравнение, которое отражает противоположные тенденции теплопроводности, наблюдаемые в кристаллах и стеклах, и, что наиболее важно, также описывает промежуточное поведение дефектных или частично неупорядоченных материалов, таких как те, которые используются в термоэлектриках для утилизации отработанного тепла, перовскитных солнечных батареях. ячейки и теплозащитные покрытия для теплозащитных экранов.
|
|
|
|
Используя это уравнение, они исследовали взаимосвязь между атомной структурой и теплопроводностью в материалах, изготовленных из диоксида кремния, одного из основных компонентов песка. Они предсказали, что особая "тридимитная" форма диоксида кремния, описанная в 1960-х годах как типичная для метеоритов, будет обладать признаками гибридного материала из хрусталя и стекла с теплопроводностью, которая остается неизменной при изменении температуры. Это необычное поведение при тепловом переносе имеет аналогии с эффектом Инвара при тепловом расширении, за который в 1920 году была присуждена Нобелевская премия по физике.
|
|
|
|
Это привело команду к работе с экспериментальными группами Этьена Балана, Даниэле Фурнье и Массимилиано Маранголо во Франции, которые получили специальное разрешение от Национального музея естественной истории в Париже на проведение экспериментов с образцом тридимита кремнезема, вырезанного из метеорита, упавшего в Штайнбахе, Германия, в 1724 году.
|
|
|
|
Их эксперименты подтвердили их предсказания: метеоритный тридимит имеет атомную структуру, которая находится между упорядоченным кристаллом и неупорядоченным стеклом, а его теплопроводность остается практически постоянной в экспериментально доступном диапазоне температур от 80 до 380 К.
|
|
|
|
После дальнейших исследований команда также предположила, что этот материал может образоваться в результате десятилетнего термического старения огнеупорного кирпича, используемого в печах для производства стали. Сталь является одним из самых важных материалов в современном обществе, но ее производство требует больших затрат углерода: всего из 1 кг стали выделяется около 1,3 кг углекислого газа, а на долю почти 1 миллиарда тонн, производимых ежегодно, приходится около 7% выбросов углекислого газа в США. Материалы, полученные из тридимита, могут быть использованы для более эффективного контроля высокой температуры, используемой при производстве стали, что поможет снизить выбросы углекислого газа в сталелитейной промышленности.
|
|
Будущее: от основанных на ИИ теорий к реальным технологиям.
|
|
|
|
В этой новой статье PNAS Симончелли и его команда использовали методы машинного обучения, чтобы преодолеть вычислительные трудности традиционных методов, основанных на первых принципах, и смоделировать свойства атомов, которые влияют на перенос тепла, с точностью до квантового уровня. Квантовые механизмы, управляющие тепловым потоком через гибридные материалы из хрусталя, могут также помочь нам понять поведение других возбуждений в твердых телах, таких как электроны, несущие заряд, и магноны, несущие спин.
|
|
|
|
Исследования по этим темам формируют новые технологии, включая носимые устройства, работающие на термоэлектриках, нейроморфные вычисления и спинтронные устройства, которые используют магнитное возбуждение для обработки информации.
|
|
|
|
Группа Симончелли в Колумбийском университете изучает эти темы, опираясь на три основных направления: формулирование теорий, основанных на первых принципах, для прогнозирования экспериментальных данных, разработка методов искусственного интеллекта для количественно точных прогнозов свойств материалов и применение теории и методов для проектирования и обнаружения материалов для преодоления целенаправленных промышленных или инженерных проблем. сложные задачи.
|
|
|
|
Источник
|
