Новости

Oct 03, 2023

Перенос тепла в энергетических материалах: исследование проясняет фундаментальные микроскопические механизмы

9 июня 2023 г. Эта статья

9 июня 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

надежный источник

корректура

Общество Макса Планка

Исследователи лаборатории NOMAD недавно пролили свет на фундаментальные микроскопические механизмы, которые могут помочь в подборе материалов для теплоизоляции. Это развитие продвигает текущие усилия по повышению энергоэффективности и устойчивости.

Роль переноса тепла имеет решающее значение в различных научных и промышленных приложениях, таких как катализ, турбинные технологии и термоэлектрические преобразователи тепла, которые преобразуют отходящее тепло в электричество.

Материалы с высокими теплоизоляционными свойствами имеют первостепенное значение, особенно в контексте энергосбережения и развития устойчивых технологий. Эти материалы позволяют сохранять и использовать тепло, которое в противном случае было бы потрачено впустую. Поэтому улучшение конструкции материалов с высокими изоляционными свойствами является ключевой целью исследований, позволяющих обеспечить более энергоэффективное применение.

Однако проектирование прочных теплоизоляторов далеко не тривиальная задача, несмотря на то, что основные фундаментальные физические законы известны уже почти столетие. На микроскопическом уровне перенос тепла в полупроводниках и изоляторах понимался как коллективное колебание атомов вокруг их положений равновесия в кристаллической решетке. Эти колебания, называемые в полевых условиях «фононами», затрагивают огромное количество атомов твердых материалов и, следовательно, охватывают большие, почти макроскопические масштабы длины и времени.

В недавней совместной публикации в журналах Physical Review B и Physical Review Letters исследователи из лаборатории NOMAD Института Фрица Габера расширили вычислительные возможности для расчета теплопроводности без экспериментальных данных с беспрецедентной точностью. Они показали, что для сильных теплоизоляторов указанная фононная картина не подходит.

Используя крупномасштабные расчеты на суперкомпьютерах Общества Макса Планка, Северо-Германского суперкомпьютерного альянса и Юлихского суперкомпьютерного центра, они просканировали более 465 кристаллических материалов, теплопроводность которых еще не измерялась. Помимо обнаружения 28 прочных теплоизоляторов, шесть из которых обладают сверхнизкой теплопроводностью, сравнимой с древесиной, это исследование проливает свет на ранее обычно наблюдаемый механизм, который позволяет систематически снижать теплопроводность.

«Мы наблюдали временное образование дефектных структур, которые сильно влияют на движение атомов, в течение чрезвычайно короткого периода времени», — говорит доктор Флориан Кнооп (ныне Университет Линчёпинга), первый автор обеих публикаций.

«Подобными эффектами обычно пренебрегают при моделировании теплопроводности, поскольку эти дефекты настолько недолговечны и настолько микроскопически локализованы по сравнению с типичными масштабами теплопереноса, что считаются несущественными. Однако проведенные расчеты показали, что они вызывают более низкие теплопроводность», — добавляет доктор Кристиан Карбоньо, старший автор исследований.

Эти идеи могут открыть новые возможности для точной настройки и проектирования теплоизоляторов на наноуровне посредством инженерии дефектов, что потенциально будет способствовать развитию энергоэффективных технологий.

Больше информации: Флориан Кноп и др., Ангармонизм в теплоизоляторах: анализ на основе первых принципов, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.236301