Cristais e óculos têm propriedades de condução de calor opostas, que desempenham um papel central em uma variedade de tecnologias. Estes variam desde a miniaturização e eficiência de dispositivos eletrônicos até sistemas de recuperação de calor de resíduos, bem como a vida útil dos escudos térmicos para aplicações aeroespaciais.
O problema de otimizar o desempenho e a durabilidade dos materiais usados nessas diferentes aplicações se resumem essencialmente para entender fundamentalmente como sua composição química e estrutura atômica (por exemplo, cristalina, vítrea, nanoestruturada) determinam sua capacidade de conduzir calor. Michele Simoncelli, professora assistente de física aplicada e matemática aplicada na Columbia Engineering, aborda esse problema dos primeiros princípios – ou seja, nas palavras de Aristóteles, em termos de “a primeira base da qual uma coisa é conhecida“-A partir das equações fundamentais da mecânica quântica e das técnicas de aprendizado de máquina de alavancagem para resolvê-las com precisão quantitativa.
In analysis revealed on July 11 within the Proceedings of the Nationwide Academy of Sciences, Simoncelli and his collaborators Nicola Marzari from the Swiss Federal Expertise Institute of Lausanne and Francesco Mauri from Sapienza College of Rome predicted the existence of a cloth with hybrid crystal-glass thermal properties, and a group of experimentalists led by Etienne Balan, Daniele Fournier, and Massimiliano Marangolo, da Universidade de Sorbonne, em Paris, confirmou -o com medições.
O primeiro do gênero, esse materials foi descoberto em meteoritos e também foi identificado em Marte. A física basic que impulsiona esse comportamento pode promover nosso entendimento e design de materiais que gerenciam calor sob diferenças extremas de temperatura – e, de maneira mais ampla, fornecem informações sobre a história térmica dos planetas.
Uma teoria unificada do transporte térmico em cristais ordenados atomicamente e óculos desordenados
A condução térmica depende se um materials é cristalino, com uma treliça ordenada de átomos, ou vítrea, com uma estrutura amorfa e desordenada, que influencia a maneira como o calor flui na quântica que falava de nível, a condução térmica em cristais diminui tipicamente com a temperatura, enquanto nos vidros aumenta após o aquecimento.
Em 2019, Simoncelli, Nicola Marzari e Francesco Mauri derivaram uma única equação que captura as tendências opostas de condutividade térmica observadas em cristais e óculos-e, o mais importante, também descrevem o comportamento intermediário de recuperação de defeito ou parcialmente, como os materiais, como aqueles utilizados em solétricos térmicos para resíduos de resíduos,
Usando essa equação, eles investigaram a relação entre estrutura atômica e condutividade térmica em materiais feitos de dióxido de silício, um dos principais componentes da areia. Eles previam que uma forma “tridimita” específica de dióxido de silício, descrita na década de 1960 como típica dos meteoritos, exibiria as características de um materials de cristal híbrido com uma condutividade térmica que permanece inalterada com temperatura. Esse comportamento incomum de transporte térmico possui analogias com o efeito invar na expansão térmica, pela qual o Prêmio Nobel de Física foi concedido em 1920.
Isso levou a equipe a grupos experimentais de Etienne Balan, Daniele Fournier e Massimiliano Marangolo, na França, que obtiveram permissão especial do Museu Nacional de História Pure em Paris para realizar experimentos em uma amostra de silica tridimita esculpida em um meteorito que foi confirmado em Steinbach, em 724. A estrutura que cai entre um cristal ordenado e vidro desordenado, e sua condutividade térmica permanece essencialmente constante sobre a faixa de temperatura acessível experimentalmente de 80 Okay a 380 Okay.
Após uma investigação mais aprofundada, a equipe também previu que esse materials poderia se formar desde o envelhecimento térmico de uma década em tijolos refratários usados em fornos para produção de aço. O aço é um dos materiais mais essenciais da sociedade moderna, mas a produção é intensiva em carbono: apenas 1 kg de aço emite aproximadamente 1,3 kg de dióxido de carbono, com quase 1 bilhão de toneladas produzidas a cada ano, representando cerca de 7% das emissões de carbono na produção de aço na produção de aço.
Futuro: De soluções orientadas pela IA das teorias dos primeiros princípios às tecnologias do mundo actual
Neste novo artigo do PNAS, a Simoncelli empregou métodos de aprendizado de máquina para superar os gargalos computacionais dos métodos tradicionais de primeiro princípios e simular propriedades atômicas que influenciam o transporte de calor com precisão no nível quântico. Os mecanismos quânticos que governam o fluxo de calor através de materiais de vidro de cristal híbridos também podem nos ajudar a entender o comportamento de outras excitações em sólidos, como elétrons portadores de carga e magnonos portadores de rotação. A pesquisa sobre esses tópicos está moldando tecnologias emergentes, incluindo dispositivos vestíveis alimentados por termoelétricos, computação neuromórfica e dispositivos spintrônicos que exploram excitações magnéticas para processamento de informações.
O grupo de Simoncelli em Columbia está explorando esses tópicos, estruturados em torno de três pilares principais: a formulação de teorias de primeiros princípios para prever observáveis experimentais, o desenvolvimento de métodos de simulação de IA para previsões quantitativamente precisas de propriedades de materiais e a aplicação de teoria e métodos para projetar e descobrir materiais superestados superando desafios industriais ou engenharia.
