Un team internazionale di ricerca ha scoperto l’esistenza di un materiale con proprietà termiche ibride cristallo-vetro, confermandola con le misurazioni.
Gli scienziati dell’Istituto Federale Svizzero di Tecnologia di Losanna e dell’Università La Sapienza di Roma hanno previsto l’esistenza di un materiale con proprietà termiche ibride cristallo-vetro, e un team di sperimentatori dell’Università della Sorbona di Parigi lo ha confermato con delle misurazioni. I risultati sono stati pubblicati su PNAS.
Primo del suo genere, questo materiale è stato scoperto nei meteoriti ed è stato identificato anche su Marte. La fisica fondamentale che guida questo comportamento potrebbe far progredire la nostra comprensione e la progettazione di materiali in grado di gestire il calore in condizioni di temperature estreme e, più in generale, fornire informazioni sulla storia termica dei pianeti. La conduzione termica dipende dalla natura cristallina, con un reticolo ordinato di atomi, o vetrosa, con una struttura amorfa e disordinata, che influenza il modo in cui il calore fluisce a livello quantistico: in generale, la conduzione termica nei cristalli diminuisce con l’aumentare della temperatura, mentre nei vetri aumenta con il riscaldamento.
Nel 2019, i ricercatori hanno derivato un’unica equazione che cattura le tendenze opposte della conduttività termica osservate nei cristalli e nei vetri e, soprattutto, descrive anche il comportamento intermedio di materiali difettosi o parzialmente disordinati, come quelli utilizzati nella termoelettrica per il recupero del calore di scarto, nelle celle solari a perovskite e nei rivestimenti barriera termica per scudi termici. Utilizzando questa equazione, gli scienziati hanno studiato la relazione tra struttura atomica e conduttività termica nei materiali realizzati in biossido di silicio, uno dei principali componenti della sabbia. Hanno previsto che una particolare forma di biossido di silicio, la “tridimite”, descritta negli anni ’60 come tipica dei meteoriti, avrebbe mostrato le caratteristiche di un materiale ibrido cristallo-vetro con una conduttività termica che rimane invariata con la temperatura. Questo insolito comportamento di trasporto termico presenta analogie con l’effetto invar nella dilatazione termica, per il quale fu conferito il Premio Nobel per la Fisica nel 1920.
Principi basati sulle tecnologie del mondo reale
Nel nuovo articolo, Simoncelli ha utilizzato metodi di apprendimento automatico per superare i colli di bottiglia computazionali dei metodi tradizionali basati sui principi primi e simulare le proprietà atomiche che influenzano il trasporto di calore con precisione quantistica. I meccanismi quantistici che governano il flusso di calore attraverso materiali ibridi cristallo-vetro potrebbero anche aiutarci a comprendere il comportamento di altre eccitazioni nei solidi, come il carbonio. La ricerca su questi argomenti sta plasmando tecnologie emergenti, tra cui dispositivi indossabili alimentati da energia termoelettrica, calcolo neuromorfico e dispositivi spintronici che sfruttano le eccitazioni magnetiche per l’elaborazione delle informazioni.
Il gruppo di scienziati della Columbia sta studiando questi argomenti, strutturati attorno a tre pilastri fondamentali: la formulazione di teorie basate sui principi primi per prevedere osservabili sperimentali, lo sviluppo di metodi di simulazione basati sull’intelligenza artificiale per previsioni quantitativamente accurate delle proprietà dei materiali e l’applicazione di teorie e metodi per progettare e scoprire materiali per superare specifiche sfide industriali o ingegneristiche.
