Värmeledningsförmågans betydelse i modern teknologi
Inom materialvetenskap är kristaller och glas, som bearbetar värme på motsatta sätt, grunden för många moderna teknologier. Från miniatyrisering av elektronik, till att öka effektiviteten i att återvinna spillvärme för energi, till att förlänga livslängden på värmesköldar inom flyg- och rymdteknik, allt beror på att förstå hur atomarrangemang påverkar värmeöverföringen.
Enligt Michele Simoncelli – biträdande professor vid Columbia University Engineering – närmade sig forskargruppen problemet från kvantmekanik och tillämpade artificiell intelligens för att korrekt lösa de underliggande ekvationerna.
Upptäckter från meteoriter och Mars
I en artikel publicerad den 11 juli i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) förutspådde Simoncelli och hans kollegor Nicola Marzari (EPFL Lausanne) och Francesco Mauri (Sapienzauniversitetet i Rom) existensen av ett hybridmaterial mellan en kristall och ett glas. Denna förutsägelse bekräftades senare av ett team från Sorbonneuniversitetet (Frankrike).
Ökad oordning i ett materials atomstruktur påverkar dess makroskopiska värmeledningsförmåga – en egenskap som är viktig för värmehanteringstekniker. De material som studerats inkluderar kristallin meteorittridymit (vänster), en tridymitfas med kristallin bindningsordning och amorf bindningsgeometri (mitten) och ett helt amorft kiseldioxidglas (höger). Rött representerar syre (O), blått representerar kisel (Si), och vanliga SiO4-tetraedriska arrangemang är markerade i blått. Bildkälla: Simoncelli Lab.
Det speciella är att detta unika material har hittats i meteoriter och till och med på Mars. Dess ovanliga värmeöverföringsmekanism lovar att öppna upp nya riktningar för att designa material som kan motstå extrema temperaturskillnader och ge viktiga ledtrådar om planeternas termiska historia.
Meteoritkiseldioxid och den sällsynta termiska konstanten
Baserat på förutsägelser från 2019 fastställde teamet att en speciell form av kiseldioxid kallad "tridymit" – som först beskrevs på 1960-talet – var hybridmaterialet. Provet utvanns från en meteorit som föll i Steinbach, Tyskland, år 1724 och studerades med tillstånd från Paris naturhistoriska museum.
Resultaten visade att meteoriten tridymit har en atomstruktur som ligger mellan en ordnad kristall och ett amorft glas. Anmärkningsvärt nog förblir dess värmeledningsförmåga konstant mellan 80 K och 380 K – en sällsynthet i materialvärlden .
Potentiella tillämpningar inom stålindustrin
Utöver sitt vetenskapliga värde öppnar upptäckten även upp praktiska möjligheter. Forskargruppen förutspår att tridymit kan bildas under den årtionden långa termiska åldrandeprocessen i eldfasta tegelstenar i ståltillverkningsugnar. Med tanke på att 1 kg producerat stål släpper ut 1,3 kg CO₂, där nästan 1 miljard ton stål varje år står för cirka 7 % av koldioxidutsläppen i USA, kan detta nya material bidra till bättre värmekontroll och därigenom minska utsläppen inom stålindustrin.
AI, kvantmekanik och framtiden för värmekontroll
Simoncelli sa att hans team använde maskininlärning för att övervinna de beräkningsmässiga begränsningarna hos traditionella metoder och simulerade värmeöverföring med kvantprecision. Dessa mekanismer belyser inte bara mysteriet med värmeöverföring i hybridmaterial, utan banar också väg för nya tekniker som bärbara termoelektriska enheter, neuromorfisk databehandling och spintronik.
”Detta är bara början. Det här materialet utmanar inte bara nuvarande teorier utan öppnar också upp framtiden för värmereglering för många industrier”, betonade Simoncelli.
Källa: 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
Kommentar (0)