Ученые обнаружили необычные тепловые свойства уникального минерала, который объединяет характеристики разных состояний твердого вещества.
Теплопроводность — одно из ключевых свойств материалов, которое влияет на эффективность охлаждения в электронике, работу тепловых экранов в аэрокосмической области, а также на использование энергии в системах утилизации тепла. Теплопроводность зависит от того, является ли материал кристаллическим, то есть обладающим упорядоченной решеткой атомов, или стеклообразным, с неупорядоченной, аморфной структурой, что влияет на распределение тепла на квантовом уровне. В общем, теплопроводность в кристаллах обычно снижается с повышением температуры, тогда как в стеклах при нагреве она возрастает.
Группа исследователей под руководством Микеле Симончелли, доцента прикладной физики и математики Колумбийского университета, теоретически предсказала существование вещества, чье поведение выходит за рамки обычной термодинамики. Используя уравнения квантовой механики и методы машинного обучения, ученые смоделировали теплопроводность различных форм диоксида кремния — широко распространенного на Земле вещества. Особый интерес вызвал минерал тридимит, ранее находившийся на Марсе и в составе метеоритов. Расчеты показали: тридимит должен иметь уникальную структуру, которая объединяет в себе признаки кристалла и стекла, а его теплопроводность при этом должна оставаться стабильной в широком температурном диапазоне.
Чтобы подтвердить свои расчеты, ученые провели серию экспериментов с образцом тридимита, полученного из метеорита, упавшего в немецком Штейнбахе в 1724 году. Результаты подтвердили их предположения: структура минерала действительно занимает промежуточное положение между кристаллической и аморфной, а его теплопроводность практически не меняется в диапазоне температур от 80 до 380 кельвинов. Этот феномен можно сравнить с известным в физике эффектом инвара — явлением, при котором определенные сплавы почти не расширяются при нагревании.
Кроме того, дальнейшие исследования показали, что тридимит может образовываться не только в космосе, но и на Земле — в толще огнеупорного кирпича, используемого в доменных печах. Производство стали, один из основных источников углеродных выбросов, требует высоких температур, и использование материалов на основе тридимита может значительно уменьшить углеродный след отрасли за счет увеличения эффективности теплоизоляции.
Кроме промышленного применения, открытие может быть использовано и в современных технологиях — от носимой электроники, работающей на термоэлектричестве, до нейроморфных чипов и спинтронных устройств, где применяются квантовые возбуждения, связанные с передачей не только тепла, но и заряда или спина. Группа Симончелли продолжает вести работу над созданием универсальных моделей и инструментов ИИ, которые могут точно предсказывать поведение новых материалов и открывать пути к их практическому использованию.
Фото: hi-tech.mail.ru