Ellen Neff, Kolumbiya Universiteti Mühəndislik və Tətbiqi Elmlər Məktəbi

Stefani Baum tərəfindən redaktə edilmişdir , Andrew Zinin tərəfindən nəzərdən keçirilmişdir

 Redaktorların qeydləriMəqalədə materialların atom quruluşunda artan nizamsızlığın makroskopik istilik keçiriciliyinə necə təsir etdiyi müzakirə edilir – istilik idarəetmə texnologiyaları üçün kritik xüsusiyyət. Tədqiq olunan materiallara kristal meteorit tridimit (solda), kristal bağ nizamı və amorf bağ həndəsəsi (mərkəz) və tamamilə amorf silisium şüşəsi (sağda) olan tridimit fazası daxildir. Qırmızı rəng oksigeni (O), mavi silisiumu (Si) təmsil edir və ümumi SiO ₄ tetraedral quruluşları kölgəli mavi rənglə vurğulanır. Kredit: Simoncelli Laboratoriyası

Kristallar və şüşələr müxtəlif texnologiyalarda əsas rol oynayan əks istilik keçirici xüsusiyyətlərə malikdir. Bunlar elektron cihazların miniatürləşdirilməsi və səmərəliliyindən tutmuş tullantıların istiliyinin bərpası sistemlərinə, eləcə də aerokosmik tətbiqlər üçün istilik qoruyucularının xidmət müddətinə qədərdir.

Bu müxtəlif tətbiqlərdə istifadə olunan materialların performansını və dayanıqlığını optimallaşdırmaq problemi, onların kimyəvi tərkibinin və atom quruluşunun (məsələn, kristal, şüşə, nanostrukturlu) istilik keçirmə qabiliyyətini necə təyin etdiyini əsaslı şəkildə başa düşməkdən ibarətdir.

Columbia Engineering-də tətbiqi fizika və tətbiqi riyaziyyat kafedrasının dosenti Michele Simoncelli bu problemi ilk prinsiplərdən, yəni Aristotelin sözləri ilə desək, “bir şeyin məlum olduğu ilk əsas” baxımından kvant mexanikasının fundamental tənliklərindən başlayaraq həll edir və onları kəmiyyətli həll etmək üçün maşın öyrənmə üsullarından istifadə edir.

İyulun 11-də Milli Elmlər Akademiyasının “Proceedings of the National Academy of Sciences” jurnalında dərc olunan araşdırmada Simoncelli və onun əməkdaşları, Lozanna İsveçrə Federal Texnologiya İnstitutundan Nikola Marzari və Roma Sapienza Universitetindən Françesko Mauri, hibrid kristal-şüşə ilə materialın mövcudluğunu proqnozlaşdırdılar. Fournier və Parisdəki Sorbonna Universitetindən Massimiliano Marangolo bunu ölçmələrlə təsdiqlədilər.

Öz növbəsində ilk olan bu material meteoritlərdə aşkar edilib və Marsda da müəyyən edilib. Bu davranışı idarə edən fundamental fizika, həddindən artıq temperatur fərqləri altında istiliyi idarə edən materialların anlayışını və dizaynını inkişaf etdirə bilər və daha geniş şəkildə, planetlərin istilik tarixinə dair fikir təmin edə bilər.

Atom nizamlı kristallarda və nizamsız şüşələrdə istilik daşımalarının vahid nəzəriyyəsi

İstilik keçiriciliyi materialın kristal, nizamlı atom şəbəkəsi və ya şüşəvari, nizamsız, amorf quruluşa malik olmasından asılıdır, bu da istilik kvant səviyyəsində necə axmasına təsir göstərir. Geniş şəkildə desək, kristallarda istilik keçiriciliyi adətən artan temperaturla azalır, şüşələrdə isə qızdırıldıqda artır.

2019-cu ildə Simoncelli, Nicola Marzari və Francesco Mauri kristallarda və şüşələrdə müşahidə olunan əks istilik keçiricilik tendensiyalarını əks etdirən vahid tənlik əldə etdilər və ən əsası, həmçinin termoelektrik elementlərin bərpası üçün istifadə olunanlar kimi qüsurlu və ya qismən nizamsız materialların ara davranışını təsvir etdilər. istilik qalxanları üçün termal maneə örtükləri.

Bu tənlikdən istifadə edərək, qumun əsas komponentlərindən biri olan silisium dioksiddən hazırlanan materiallarda atom quruluşu ilə istilik keçiriciliyi arasındakı əlaqəni araşdırdılar . Onlar proqnozlaşdırdılar ki, 1960-cı illərdə meteoritlərə xas olan silikon dioksidin xüsusi “tridimit” forması temperaturla dəyişməz qalan istilik keçiriciliyinə malik hibrid kristal-şüşə materialının əlamətlərini nümayiş etdirəcək. Bu qeyri-adi istilik-nəqliyyat davranışı, 1920-ci ildə Fizika üzrə Nobel Mükafatının verildiyi istilik genişlənməsində İnvar effekti ilə oxşarlıqlar daşıyır.

Gündəlik anlayışlar üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosda ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz xəbər bülleteni üçün qeydiyyatdan keçin və mühüm nailiyyətlər, innovasiyalar və tədqiqatlar haqqında gündəlik və ya həftəlik yeniliklər əldə edin .

Bu, komandanı 1724-cü ildə Almaniyanın Steinbach şəhərinə düşən meteoritdən oyulmuş silisium tridimit nümunəsi üzərində təcrübələr aparmaq üçün Parisdəki Milli Təbiət Tarixi Muzeyindən xüsusi icazə almış Fransadakı Etien Balan, Daniele Fournier və Massimiliano Marangolodan ibarət eksperimental qruplara apardı.

Onların təcrübələri onların proqnozlarını təsdiqlədi: Meteorik tridimit nizamlı kristal və nizamsız şüşə arasında düşən atom quruluşuna malikdir və onun istilik keçiriciliyi eksperimental olaraq əldə edilə bilən 80 K ilə 380 K arasında olan temperatur diapazonunda mahiyyətcə sabit qalır.

Əlavə araşdırmadan sonra komanda həmçinin bu materialın polad istehsalı üçün sobalarda istifadə olunan odadavamlı kərpiclərdə onilliklər boyu termal yaşlanma nəticəsində yarana biləcəyini proqnozlaşdırdı . Polad müasir cəmiyyətdə ən vacib materiallardan biridir, lakin onun istehsalı karbon tutumludur: cəmi 1 kq polad təxminən 1,3 kq karbon qazı buraxır, hər il istehsal olunan təxminən 1 milyard ton ABŞ-da karbon emissiyalarının təxminən 7%-ni təşkil edir. iz.

Gələcək: Birinci prinsiplər nəzəriyyələrinin süni intellektlə idarə olunan həllərindən real dünya texnologiyalarına qədər

Bu yeni PNAS sənədində Simoncelli və komanda ənənəvi birinci prinsip metodlarının hesablama darboğazlarını aradan qaldırmaq və kvant səviyyəsində dəqiqliklə istilik nəqlinə təsir edən atom xüsusiyyətlərini simulyasiya etmək üçün maşın öyrənmə metodlarından istifadə etdilər. Hibrid kristal-şüşə materialları vasitəsilə istilik axını idarə edən kvant mexanizmləri, həmçinin yük daşıyan elektronlar və spin daşıyan maqnonlar kimi bərk cisimlərdəki digər həyəcanların davranışını anlamağa kömək edə bilər.

Bu mövzular üzrə tədqiqatlar termoelektriklər, neyromorfik hesablamalar və informasiyanın emalı üçün maqnit həyəcanlarından istifadə edən spintronik cihazlarla təchiz edilən geyilə bilən qurğular da daxil olmaqla, inkişaf etməkdə olan texnologiyaların formalaşdırılmasıdır.

Kolumbiyadakı Simoncelli qrupu üç əsas sütun ətrafında qurulmuş bu mövzuları araşdırır: eksperimental müşahidə olunanları proqnozlaşdırmaq üçün birinci prinsiplər nəzəriyyələrinin formalaşdırılması, material xassələrinin kəmiyyətcə dəqiq proqnozlaşdırılması üçün süni intellekt simulyasiya metodlarının inkişafı və hədəflənmiş sənaye və ya mühəndislik problemlərinin öhdəsindən gəlmək üçün materialların dizaynı və kəşfi üçün nəzəriyyə və metodların tətbiqi.

Daha çox məlumat: Michele Simoncelli və digərləri, Temperatur-invariant kristal-şüşə istilik keçiriciliyi: Meteoritlərdən odadavamlı maddələrə, Milli Elmlər Akademiyasının əsərləri (2025). DOI: 10.1073/pnas.2422763122

Jurnal məlumatı: Milli Elmlər Akademiyasının Materialları 

Kolumbiya Universiteti Mühəndislik və Tətbiqi Elmlər Məktəbi tərəfindən təmin edilmişdir