Гибридные кристалло-стеклянные материалы из метеоритов могут изменить управление теплом

На изображении показано, как увеличение беспорядка в атомной структуре материалов влияет на макроскопическую теплопроводность — критически важное свойство для технологий управления теплом. Исследуемые материалы включают кристаллический метеоритный тридимит (слева), фазу тридимита с кристаллическим порядком связей и аморфной геометрией (в центре), а также полностью аморфное кварцевое стекло (справа). Красным обозначен кислород (O), синим — кремний (Si), а общие тетраэдрические структуры SiO₄ выделены голубым. Автор: Simoncelli Lab

Кристаллы и стекла обладают противоположными свойствами теплопроводности, что играет ключевую роль в различных технологиях — от миниатюризации электронных устройств до систем утилизации отработанного тепла и термозащитных покрытий в аэрокосмической отрасли.

Оптимизация характеристик материалов для этих применений требует фундаментального понимания того, как их химический состав и атомная структура (кристаллическая, стеклообразная, наноструктурированная) определяют способность проводить тепло.

Микеле Симончелли, доцент прикладной физики и математики в Колумбийском университете, подходит к этой проблеме с позиций первых принципов — используя уравнения квантовой механики и методы машинного обучения для точных расчётов.

В исследовании, опубликованном 11 июля в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, Симончелли и его коллеги предсказали существование материала с гибридными кристалло-стеклянными тепловыми свойствами. Экспериментальная группа под руководством Этьена Балан подтвердила это открытие, исследуя образцы тридимита из метеорита, упавшего в Германии в 1724 году.

Единая теория теплопередачи

Теплопроводность зависит от того, является ли материал кристаллическим (упорядоченная структура) или аморфным (стеклообразным). В кристаллах теплопроводность обычно снижается с ростом температуры, а в стёклах — увеличивается. В 2019 году команда Симончелли вывела уравнение, описывающее оба типа поведения и промежуточные состояния.

Применив это уравнение к диоксиду кремния (основному компоненту песка), учёные предсказали, что метеоритный тридимит будет демонстрировать гибридные свойства: его теплопроводность практически не меняется при изменении температуры. Это открытие аналогично эффекту Инвара в тепловом расширении, за который в 1920 году была присуждена Нобелевская премия.

Практическое применение

Дальнейшие исследования показали, что подобные материалы могут образовываться в огнеупорных кирпичах, используемых в сталелитейной промышленности. Поскольку производство стали даёт 7% углеродных выбросов в США, новые термостойкие материалы на основе тридимита могут помочь снизить экологический ущерб.

Перспективы

В работе использовались методы машинного обучения для точного моделирования атомных свойств. Эти принципы могут быть применены не только к теплопередаче, но и к другим явлениям в твёрдых телах, таким как движение электронов и спиновых волн. Это открывает перспективы для создания термоэлектрических устройств, нейроморфных компьютеров и спинтроники.

Дополнительная информация: Michele Simoncelli et al, Temperature-invariant crystal–glass heat conduction: From meteorites to refractories, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2422763122

Источник: Columbia University School of Engineering and Applied Science