現代技術における熱伝導の重要性
材料科学において、結晶とガラスは熱を逆の方法で処理し、多くの現代技術の基盤となっています。電子機器の小型化から、廃熱をエネルギーに変換する効率の向上、航空宇宙用熱シールドの寿命延長に至るまで、すべては原子配列が熱伝達にどのように影響するかを理解することにかかっています。
コロンビア大学工学部のミシェル・シモンチェリ助教授によると、研究チームは量子力学の視点からこの問題にアプローチし、基礎となる方程式を正確に解くために人工知能を応用したという。
隕石と火星からの発見
7月11日に米国科学アカデミー紀要（PNAS）に掲載された論文の中で、シモンチェリ氏と同僚のニコラ・マルザリ氏（EPFLローザンヌ校）、フランチェスコ・マウリ氏（ローマ・ラ・サピエンツァ大学）は、結晶とガラスのハイブリッド材料の存在を予測しました。この予測は後に、フランスのソルボンヌ大学のチームによって確認されました。
物質の原子構造における無秩序性の増加は、その巨視的熱伝導率に影響を与えます。これは熱管理技術にとって重要な特性です。研究対象とした物質は、結晶質隕石トリジマイト（左）、結晶結合秩序と非晶質結合構造を持つトリジマイト相（中央）、そして完全に非晶質のシリカガラス（右）です。赤は酸素（O）、青はケイ素（Si）、そして一般的なSiO4四面体配列は青で強調表示されています。クレジット：Simoncelli Lab
このユニークな物質の特別な点は、隕石や火星でも発見されていることです。その特異な熱伝達メカニズムは、極端な温度差に耐えられる材料設計の新たな方向性を切り開き、惑星の熱史に関する重要な手がかりを提供することが期待されます。
隕石シリカと珍しい熱定数
研究チームは2019年の予測に基づき、このハイブリッド物質は1960年代に初めて報告された「トリジマイト」と呼ばれる特殊な二酸化ケイ素であると断定しました。このサンプルは1724年にドイツのシュタインバッハに落下した隕石から採掘され、パリ自然史博物館の許可を得て研究されました。
実験結果から、隕石トリジマイトは、整列結晶と非晶質ガラスの中間に位置する原子構造を有することが示されました。驚くべきことに、その熱伝導率は80Kから380Kの間で一定であり、これは物質の世界では稀有なことです。
鉄鋼業界における潜在的な応用
この発見は科学的価値に加え、実用化への可能性も拓きます。研究チームは、製鋼炉の耐火レンガにおいて、数十年にわたる熱老化によってトリジマイトが生成される可能性があると予測しています。1kgの鋼鉄生産につき1.3kgのCO₂が排出され、毎年約10億トンの鋼鉄が米国の炭素排出量の約7%を占めていることを考えると、この新素材は熱制御の改善に貢献し、ひいては鉄鋼業界における排出量の削減につながる可能性があります。
AI、量子力学、そして熱制御の未来
シモンチェリ氏によると、チームは機械学習を用いて従来の計算手法の限界を克服し、量子精度で熱伝達をシミュレーションしたという。これらのメカニズムは、ハイブリッド材料における熱伝達の謎を解明するだけでなく、ウェアラブル熱電デバイス、ニューロモルフィック・コンピューティング、スピントロニクスといった新技術への道を開くものだ。
「これはほんの始まりに過ぎません。この材料は現在の理論に挑戦するだけでなく、多くの産業における熱制御の未来を切り開くものです」とシモンチェリ氏は強調しました。
出典: https://doanhnghiepvn.vn/cong-nghe/gioi-khoa-hoc-sung-sot-truoc-loai-vat-chat-ky-bi-roi-xuong-trai-dat-he-lo-bi-mat-ve-cach-nhet-di-chuyen-trong-vu-tru/20250816083300815
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