Учёные открыли кристалл с теплопроводностью хуже, чем у стекла и воды

Постдок Питер Скьёт Торуп из Орхусского университета держит небольшой образец кристаллического материала AgGaGe₃Se₈, который он и его коллеги изучали. Материал ведёт себя как стекло с точки зрения теплопереноса, несмотря на регулярную кристаллическую структуру. Автор: Питер Ф. Гаммелби, Орхусский университет

Исследовательская группа из Орхусского университета (Дания) измерила и объяснила исключительно низкую теплопроводность кристаллического материала AgGaGe₃Se₈. Несмотря на свою упорядоченную структуру, материал ведёт себя как стекло в плане теплопереноса, что делает его одним из наименее теплопроводных кристаллических твёрдых тел, известных на сегодняшний день.

При комнатной температуре AgGaGe₃Se₈ демонстрирует теплопроводность всего 0,2 ватта на метр-Кельвин — что в три раза ниже, чем у воды, и в пять раз ниже, чем у типичного силикатного стекла. Материал состоит из серебра (Ag), галлия (Ga), германия (Ge) и селена (Se) и ранее изучался в основном из-за своих оптических свойств.

Теперь же исследователи из iMAT — Центра интегрированных исследований материалов Орхусского университета — впервые измерили его теплопереносные свойства и определили структурное происхождение его необычно низкой теплопроводности.

Результаты опубликованы в журнале Science Advances.

Ключ кроется в поведении атомов серебра. Вместо того чтобы быть жёстко закреплёнными в кристаллической решётке, атомы серебра слабо связаны и движутся хаотично. Это внутреннее нарушение порядка разрушает распространение фононов — колебаний, которые обычно переносят тепло через твёрдые тела, — и вызывает нарушение теплопереноса способом, типичным для аморфных материалов, таких как стекло.

Примечательно, что это стеклоподобное поведение сохраняется в широком диапазоне температур — от 2 до 700 Кельвинов (−271 °C до 400 °C), что крайне необычно для кристаллического материала.

Материалы с очень низкой теплопроводностью представляют интерес для широкого спектра применений, таких как термоэлектрические модули, преобразующие отработанное тепло в электричество, или в качестве тепловых барьеров в микроэлектронике и высокотемпературных средах. Однако AgGaGe₃Se₈ не является применимым в его нынешнем виде, поскольку он плохо проводит электричество и содержит германий — относительно редкий и дорогой элемент.

Данное исследование является вкладом в фундаментальную науку о материалах. Изучая то, как специфические структурные особенности влияют на теплоперенос, исследователи получают ценное понимание того, как проектировать материалы с заданными свойствами теплопроводности — что важно для разработки будущих технологий в энергетике, вычислениях и аэрокосмической отрасли.

Результаты основаны на комбинации тепловых измерений и данных продвинутого синхротронного рентгеновского рассеяния, собранных на установке Spring-8 в Японии.

Дополнительная информация: Peter Skjøtt Thorup et al, Structural origins of ultralow glass-like thermal conductivity in AgGaGe3Se8, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adv5865

Источник: Aarhus University