(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.
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.
„Analityk. Nieuleczalny nerd z bekonu. Przedsiębiorca. Oddany pisarz. Wielokrotnie nagradzany alkoholowy ninja. Subtelnie czarujący czytelnik.”
