От фононов до туннелей: как тепло движется в сложных материалах
Органические полупроводники и металлоорганические каркасы, или MOFs, — это сложные материалы, которые уже используются в OLED-дисплеях, солнечных батареях, хранении газа и даже добыче воды.
Но, несмотря на их широкое применение, ученые до сих пор не до конца понимают, как в них передается тепло. Группа исследователей под руководством Эгберта Зойера из Технологического университета Граца вместе с коллегами из Вены и Кембриджа смогла раскрыть этот секрет. Их открытие может помочь создавать материалы с уникальными тепловыми свойствами.
Результаты работы опубликованы в журнале npj Computational Materials.
Эгберт Зойер объясняет:
Ученые уже 40 лет изучают, как в органических полупроводниках передается электрический заряд, но до нас никто не задумывался о том, как в них распространяется тепло. А это очень важно! Понимание этих процессов поможет создавать материалы, которые либо хорошо проводят тепло, либо, наоборот, удерживают его. Например, это нужно для термоэлектрических устройств или систем охлаждения.
Как они это сделали
Исследователи использовали машинное обучение, но не так, как это обычно делают. Вместо того чтобы искать закономерности в данных, они сосредоточились на поиске причинно-следственных связей. Их цель была понять, как именно тепло распределяется внутри материала.
Раньше считалось, что тепло передается только за счет фононов — это
Что такое туннельный перенос
Лукас Легенштейн, один из авторов исследования, поясняет: «Представьте, что тепло передается не только за счет столкновений частиц, но и за счет „туннелирования“ — это когда энергия как бы перепрыгивает с одного места на другое, даже если между ними нет прямого контакта. Этот эффект становится особенно важным, когда молекулы в материале становятся больше».
Почему это открытие меняет правила игры
Теперь ученые могут проектировать материалы с заданной теплопроводностью, просто изменяя структуру молекул. Это открывает новые возможности для создания более эффективных устройств. Например, MOFs, которые используются для хранения газа или фильтрации воды, тоже могут быть улучшены, ведь теплопроводность играет ключевую роль в их работе.
Исследователи планируют применить свои открытия к другим материалам, например, к MOFs. Ведь теплопроводность важна для всех их применений — от хранения энергии до очистки воды.
Ранее ученые открыли способ отделения кислорода от аргона.
