Une équipe de recherche de l'Université d'Aarhus, au Danemark, a mesuré et expliqué la conductivité thermique exceptionnellement faible de l'aggage des matériaux cristallins3SE8. Malgré sa structure ordonnée, le matériau se comporte comme un verre en termes de transport de chaleur, ce qui en fait l'un des solides cristallins des moins conducteurs de chaleur connus à ce jour.
À température ambiante, agage3SE8 présente une conductivité thermique de seulement 0,2 watts par mètre-kelvin – qui est trois fois inférieure à l'eau et cinq fois inférieure à celle de la silice typique. Le matériau est composé d'argent (AG), de gallium (GA), de germanium (GE) et de sélénium (SE), et a déjà été étudié pour ses propriétés optiques.
Maintenant, pour la première fois, des chercheurs d'Imat – le Centre de la recherche sur les matériaux intégrés d'Aarhus – ont mesuré ses propriétés de transport thermique et identifié l'origine structurelle de sa conductivité thermique inhabituellement faible.
Les résultats sont publiés dans la revue Avancées scientifiques.
La clé réside dans le comportement des atomes d'argent. Au lieu d'être fixés en place dans le réseau cristallin, les atomes d'argent sont liés de manière vague et se déplacent de façon irrégulière. Ce trouble interne perturbe la propagation des phonons – les vibrations qui transportent normalement la chaleur à travers les solides – et provoque la décomposition du transport thermique d'une manière généralement observée dans les matériaux amorphes comme le verre.
Remarquablement, ce comportement semblable à un verre persiste sur une large gamme de températures, de 2 à 700 Kelvin (−271 ° C à 400 ° C), ce qui est très inhabituel pour un matériau cristallin.
Les matériaux avec une très faible conductivité thermique sont intéressants dans un large éventail d'applications, telles que les modules thermoélectriques qui convertissent la chaleur des déchets en électricité, ou sous forme de barrières thermiques dans la microélectronique et les environnements à haute température. Cependant, agage3SE8 n'est pas immédiatement applicable dans sa forme actuelle, car elle ne conduit pas bien l'électricité et contient le germanium – un élément relativement rare et coûteux.
L'étude est plutôt une contribution à la science fondamentale des matériaux. En explorant comment des caractéristiques structurelles spécifiques influencent le transport thermique, les chercheurs ont un aperçu précieux de la façon de concevoir des matériaux aux propriétés de conduction thermique sur mesure – un aspect important dans le développement des technologies futures en énergie, en informatique et en aérospatiale.
Les résultats sont basés sur une combinaison de mesures thermiques et de données avancées de diffusion des rayons X Synchrotron collectées à l'installation Spring-8 au Japon.
