Μια σπάνια ορυκτή ένωση, που βρέθηκε σε μετεωρίτη του 1724 και εντοπίστηκε και στον Άρη, αλλάζει τα δεδομένα στην κατανόηση της θερμικής αγωγιμότητας. Με τη βοήθεια της τεχνητής νοημοσύνης και της κβαντικής φυσικής, ερευνητές ανακάλυψαν ότι το συγκεκριμένο υλικό διαθέτει ιδιότητες που συνδυάζουν τα χαρακτηριστικά τόσο ενός κρυστάλλου όσο και ενός γυαλιού, κάτι που, μέχρι σήμερα, θεωρούνταν αδύνατο.
Η ανακάλυψη αυτή, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο επιστημονικό περιοδικό Proceedings of the National Academy of Sciences, έρχεται να μεταμορφώσει τον τρόπο με τον οποίο προσεγγίζουμε τη διαχείριση της θερμότητας σε τεχνολογικές και βιομηχανικές εφαρμογές. Σε περιβάλλοντα όπου οι ακραίες θερμοκρασίες είναι καθημερινότητα – όπως στη χαλυβουργία ή στην αεροδιαστημική βιομηχανία – ένα υλικό που διατηρεί σταθερή θερμική αγωγιμότητα ανεξαρτήτως θερμοκρασίας θα μπορούσε να αποδειχθεί επαναστατικό.
Η θερμική αγωγιμότητα εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη δομή των υλικών σε ατομικό επίπεδο. Τα κρυσταλλικά υλικά, με την τακτοποιημένη τους διάταξη, έχουν διαφορετική συμπεριφορά από τα άμορφα (γυαλώδη), στα οποία η δομή είναι ακανόνιστη. Συνήθως, όσο αυξάνεται η θερμοκρασία, η θερμική αγωγιμότητα στους κρυστάλλους μειώνεται, ενώ στα γυαλιά αυξάνεται.
Το 2019, οι ερευνητές Michele Simoncelli, Nicola Marzari και Francesco Mauri κατάφεραν να διατυπώσουν μια ενιαία εξίσωση που περιγράφει αυτές τις αντίθετες τάσεις, αλλά και την ενδιάμεση συμπεριφορά υλικών με μερική αταξία, όπως αυτά που χρησιμοποιούνται σε θερμοηλεκτρικά συστήματα, ηλιακές κυψέλες περοβσκίτη και θερμικά προστατευτικά υλικά.
Χρησιμοποιώντας αυτή την εξίσωση και τεχνικές τεχνητής νοημοσύνης, οι επιστήμονες εξέτασαν υλικά από διοξείδιο του πυριτίου και πρόβλεψαν ότι μια ειδική μορφή του, γνωστή ως τριδυμίτης και περιγράφηκε πρώτη φορά τη δεκαετία του 1960 σε μετεωρίτες, θα είχε υβριδική συμπεριφορά. Δηλαδή, η θερμική του αγωγιμότητα θα παρέμενε σχεδόν σταθερή ανεξαρτήτως θερμοκρασίας – ένα φαινόμενο αντίστοιχο με το "invar effect", που είχε τιμηθεί με Νόμπελ Φυσικής το 1920.
Η θεωρία δοκιμάστηκε από μια ομάδα πειραματιστών στη Σορβόννη, υπό την καθοδήγηση των Etienne Balan, Daniele Fournier και Massimiliano Marangolo. Με ειδική άδεια από το Εθνικό Μουσείο Φυσικής Ιστορίας του Παρισιού, μελέτησαν δείγμα τριδυμίτη από μετεωρίτη που έπεσε στο Steinbach της Γερμανίας το 1724. Τα αποτελέσματα ήταν ξεκάθαρα: η συγκεκριμένη μορφή τριδυμίτη έχει ατομική δομή που βρίσκεται ανάμεσα σε αυτή ενός κρυστάλλου και ενός γυαλιού, και διατηρεί σχεδόν σταθερή θερμική αγωγιμότητα στο εύρος θερμοκρασιών από 80 K έως 380 K.
Πέρα από την επιστημονική αξία της ανακάλυψης, η ομάδα ερεύνησε εάν αυτό το υλικό θα μπορούσε να σχηματιστεί και επίγεια. Προέβλεψαν ότι η ίδια φάση του τριδυμίτη μπορεί να δημιουργηθεί ύστερα από πολυετή θερμική γήρανση σε πυρίμαχα τούβλα που χρησιμοποιούνται στους φούρνους παραγωγής χάλυβα.
Η σημασία αυτής της δυνατότητας είναι τεράστια. Η χαλυβουργία αποτελεί μια από τις πιο ρυπογόνες βιομηχανίες, καθώς για κάθε κιλό χάλυβα που παράγεται εκλύονται περίπου 1,3 κιλά διοξειδίου του άνθρακα. Με σχεδόν 1 δισεκατομμύριο τόνους ετησίως, οι εκπομπές αυτές αντιστοιχούν στο 7% των συνολικών εκπομπών CO₂ στις ΗΠΑ. Εάν το υλικό αυτό μπορούσε να βοηθήσει στη βελτιστοποίηση της θερμικής διαχείρισης στους φούρνους, θα συνέβαλε ουσιαστικά στην προσπάθεια περιορισμού του ανθρακικού αποτυπώματος της βιομηχανίας.
Στην πρόσφατη δημοσίευση του Simoncelli, γίνεται χρήση της τεχνητής νοημοσύνης για την υπέρβαση των υπολογιστικών δυσκολιών των παραδοσιακών μεθόδων πρώτων αρχών. Με αυτόν τον τρόπο, κατέστη εφικτή η προσομοίωση των ατομικών ιδιοτήτων που επηρεάζουν τη θερμική αγωγιμότητα με ακρίβεια κβαντικού επιπέδου.
Οι ίδιοι μηχανισμοί που διέπουν τη θερμική αγωγιμότητα σε υβριδικά υλικά, ενδέχεται να ρίξουν φως και σε άλλα φαινόμενα στερεάς κατάστασης, όπως η συμπεριφορά των ηλεκτρονίων ή των μαγνητικών διεγέρσεων (magnons). Η έρευνα αυτή μπορεί να αποτελέσει θεμέλιο για την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών, όπως οι θερμοηλεκτρικές συσκευές ένδυσης, η νευρομορφική υπολογιστική ή οι spintronic συσκευές.
Η ομάδα του Simoncelli στο Columbia University συνεχίζει την έρευνα βασισμένη σε τρεις πυλώνες: την ανάπτυξη θεωριών πρώτων αρχών για πρόβλεψη μετρήσιμων παραμέτρων, την αξιοποίηση τεχνητής νοημοσύνης για την ακρίβεια των προσομοιώσεων, και την εφαρμογή αυτών των εργαλείων στον σχεδιασμό νέων υλικών με σκοπό την αντιμετώπιση συγκεκριμένων τεχνολογικών προκλήσεων.
[via]
