Les cristaux et les verres ont des propriétés de conduction thermique opposées, qui jouent un rôle central dans une variété de technologies. Ceux-ci vont de la miniaturisation et de l'efficacité des dispositifs électroniques aux systèmes de récupération de chauffage des déchets, ainsi que de la durée de vie des boucliers thermiques pour les applications aérospatiales.
Le problème de l'optimisation des performances et de la durabilité des matériaux utilisés dans ces différentes applications se résume essentiellement à comprendre fondamentalement comment leur composition chimique et leur structure atomique (par exemple, cristalline, vitreuse, nanostructurée) déterminent leur capacité à mener la chaleur.
Michele Simoncelli, professeure adjointe de physique appliquée et de mathématiques appliquées chez Columbia Engineering, aborde ce problème à partir des premiers principes – iie, selon les mots d'Aristote, en termes de « la première base à partir de laquelle une chose est connue » – en partant des équations fondamentales de la mécanique quantique et de la mise à jour les techniques d'apprentissage automatique pour les résoudre avec une concurrence quantique.
Dans la recherche publiée le 11 juillet dans le Actes de l'Académie nationale des sciencesSimoncelli et ses collaborateurs, Nicola Marzari, de l'Institut fédéral de la technologie suisse de Lausanne et Francesco Mauri de l'Université de Sapienza, ont prédit l'existence d'un matériau avec des propriétés thermiques hybrides en cristal et une équipe d'expérimentalistes dirigée par l'Etienne Balan, Daniele Fournier et avec le massimilo mesures.
Le premier du genre, ce matériel a été découvert en météorites et a également été identifié sur Mars. La physique fondamentale stimulant ce comportement pourrait faire progresser notre compréhension et notre conception de matériaux qui gèrent la chaleur dans des différences de température extrêmes – et, plus largement, donnent un aperçu de l'histoire thermique des planètes.
Une théorie unifiée du transport thermique dans les cristaux et les verres désordonnés ordonnés atomiquement
La conduction thermique dépend de la cristalline d'un matériau, avec un réseau d'atomes ordonné, ou vitreux, avec une structure amorphe désordonnée, qui influence la façon dont la chaleur se déroule au niveau quantique. D'une manière générale, la conduction thermique dans les cristaux diminue généralement avec l'augmentation de la température, tandis que dans les verres, il augmente lors du chauffage.
En 2019, Simoncelli, Nicola Marzari et Francesco Mauri ont dérivé une seule équation qui capture les tendances thermiques opposées observées dans les cristaux et les verres – et, surtout, décrit également le comportement intermédiaire des matériaux défectueux ou partiellement désordonnés, tels que ceux utilisés dans les reflets thermoélectriques, les motifs de réduction des thermo-éléments.
En utilisant cette équation, ils ont étudié la relation entre la structure atomique et la conductivité thermique dans les matériaux fabriqués à partir de dioxyde de silicium, l'un des principaux composants du sable. Ils ont prédit qu'une forme particulière de «tridymite» de dioxyde de silicium, décrite dans les années 1960 comme typique des météorites, présenterait les caractéristiques d'un matériau hybride en glass en cristal avec une conductivité thermique qui reste inchangée avec la température. Ce comportement inhabituel de transport thermique porte des analogies à l'effet invar dans l'expansion thermique, pour laquelle le prix Nobel de physique a été décerné en 1920.
Cela a conduit l'équipe aux groupes expérimentaux d'Etienne Balan, Daniele Fournier et Massimiliano Marangolo en France, qui a obtenu une autorisation spéciale du Musée national d'histoire naturelle de Paris pour effectuer des expériences sur un échantillon de tridymite de silice sculptée à partir d'une météorite qui a atterri à Steinbach, en Allemagne, en 1724.
Leurs expériences ont confirmé leurs prédictions: la tridymite météorique a une structure atomique qui se situe entre un cristal ordonné et un verre désordonné, et sa conductivité thermique reste essentiellement constante sur la plage de température accessible expérimentalement de 80 K à 380 K.
Après une enquête plus approfondie, l'équipe a également prédit que ce matériau pourrait se former à partir du vieillissement thermique d'une décennie dans les briques réfractaires utilisées dans les fours pour la production d'acier. L'acier est l'un des matériaux les plus essentiels de la société moderne, mais la production est à forte intensité de carbone: seulement 1 kg d'acier émet environ 1,3 kg de dioxyde de carbone, avec les près de 1 milliard de tonnes produites chaque année, ce qui représente environ 7% des émissions de carbone dans les matériaux américains dérivées de Tridymite pourrait être utilisée pour contrôler plus efficacement la chaleur intense dans la production d'acier, en aidant à réduire la taillé de carbone.
Future: des solutions axées sur l'IA de théories des premiers principes aux technologies du monde réel
Dans ce nouveau PNA Le papier, Simoncelli et l'équipe ont utilisé des méthodes d'apprentissage automatique pour surmonter les goulots d'étranglement de calcul des méthodes traditionnelles des premières principes et simuler les propriétés atomiques qui influencent le transport de chaleur avec une précision au niveau quantique. Les mécanismes quantiques qui régissent le flux de chaleur à travers des matériaux hybrides en verre cristallin peuvent également nous aider à comprendre le comportement d'autres excitations dans les solides, tels que les électrons portant des charges et les magnons de transport en rotation.
La recherche sur ces sujets façonne des technologies émergentes, y compris des dispositifs portables alimentés par des thermoélectriques, des calculs neuromorphes et des dispositifs spinstronic qui exploitent les excitations magnétiques pour le traitement de l'information.
Le groupe de Simoncelli de Columbia explore ces sujets, structurés autour de trois piliers principaux: la formulation des théories des premiers principes pour prédire les observables expérimentaux, le développement de méthodes de simulation d'IA pour les prédictions quantitativement précises des propriétés des matériaux et l'application de la théorie et des méthodes pour concevoir et découvrir des matériaux pour surmonter les défis industriels ou ingénieurs ciblés.
