Важливість теплопровідності в сучасних технологіях
У матеріалознавстві кристали та скло, які обробляють тепло протилежними способами, є основою багатьох сучасних технологій. Від мініатюризації електроніки до підвищення ефективності рекуперації відпрацьованого тепла для отримання енергії та продовження терміну служби аерокосмічних теплових екранів – все це залежить від розуміння того, як розташування атомів впливає на теплопередачу.
За словами Мікеле Сімончеллі, доцента інженерного факультету Колумбійського університету, дослідницька група підійшла до проблеми з точки зору квантової механіки та застосувала штучний інтелект для точного вирішення основних рівнянь.
Відкриття з метеоритів та Марса
У статті, опублікованій 11 липня в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), Сімончеллі та його колеги Нікола Марцарі (EPFL Lausanne) та Франческо Маурі (Римський університет Сапієнца) передбачили існування гібридного матеріалу між кристалом та склом. Це передбачення пізніше було підтверджено командою з Університету Сорбонни (Франція).
Підвищений безлад в атомній структурі матеріалу впливає на його макроскопічну теплопровідність — властивість, важливу для технологій терморегуляції. Досліджені матеріали включають кристалічний метеоритний тридиміт (ліворуч), фазу тридиміту з кристалічним порядком зв'язків та аморфною геометрією зв'язків (у центрі) та повністю аморфне кремнієве скло (праворуч). Червоний колір позначає кисень (O), синій — кремній (Si), а поширені тетраедричні розташування SiO4 виділені синім кольором. Авторство: Simoncelli Lab.
Особливістю є те, що цей унікальний матеріал був знайдений у метеоритах і навіть на Марсі. Його незвичайний механізм теплопередачі обіцяє відкрити нові напрямки для розробки матеріалів, які можуть витримувати екстремальні перепади температур і дати важливі підказки про теплову історію планет.
Метеоритний кремнезем і рідкісна теплова константа
На основі прогнозів 2019 року команда визначила, що гібридним матеріалом є особлива форма діоксиду кремнію під назвою «тридиміт», вперше описана в 1960-х роках. Зразок був видобути з метеорита, який упав у Штайнбаху, Німеччина, в 1724 році, і був досліджений з дозволу Паризького музею природної історії.
Результати показали, що метеоритний тридиміт має атомну структуру, яка знаходиться між впорядкованим кристалом та аморфним склом. Примітно, що його теплопровідність залишається постійною між 80 K та 380 K – рідкість у світі матеріалів.
Потенційні застосування в сталеливарній промисловості
Окрім наукової цінності, це відкриття також відкриває практичні перспективи. Дослідницька група прогнозує, що тридиміт може утворюватися під час багаторічного процесу термічного старіння вогнетривкої цегли в сталеплавильних печах. Враховуючи, що 1 кг виробленої сталі викидає 1,3 кг CO₂, а майже 1 мільярд тонн сталі щороку становить близько 7% викидів вуглецю в Сполучених Штатах, цей новий матеріал може сприяти кращому контролю тепла, тим самим зменшуючи викиди в сталеливарній промисловості.
Штучний інтелект, квантова механіка та майбутнє контролю тепла
Сімончеллі сказав, що його команда використала машинне навчання, щоб подолати обчислювальні обмеження традиційних методів, імітуючи теплопередачу з квантовою точністю. Ці механізми не лише проливають світло на таємницю теплопередачі в гібридних матеріалах, але й прокладають шлях для нових технологій, таких як носимі термоелектричні пристрої, нейроморфні обчислення та спінтроніка.
«Це лише початок. Цей матеріал не лише ставить під сумнів сучасну теорію, але й відкриває майбутнє контролю тепла для багатьох галузей промисловості», – наголосив Сімончеллі.
Джерело: 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
Коментар (0)