Кристаллы и стекла проводят тепло совершенно по-разному, и это свойство лежит в основе множества технологий. От миниатюрных и эффективных электронных устройств до систем утилизации бросового тепла и термощитов для космических кораблей. Чтобы улучшить такие материалы, нужно досконально понять, как их химический состав и атомная структура (скажем, кристаллическая, аморфная или наноструктурированная) определяют способность проводить тепло.

Этой проблемой с самых основ — или, как сказал бы Аристотель, «первых начал, из которых познается вещь» — занимается Микеле Симончелли, доцент прикладной физики и математики в Колумбийской школе инженерии. Он исходит из фундаментальных уравнений квантовой механики и использует методы машинного обучения, чтобы решать их с количественной точностью.

В журнале PNAS Симончелли и его коллеги Никкола Марцари (Федеральная политехническая школа Лозанны) и Франческо Маури (Римский университет Сапиенца) опубликовали исследование, в котором предсказали существование материала с гибридными тепловыми свойствами — нечто среднее между кристаллом и стеклом. Экспериментальная группа под руководством Этьена Балена, Даниэля Фурнье и Массимилиано Маранголо из Сорбонны подтвердила это предсказание измерениями.

Этот уникальный материал впервые был обнаружен в метеоритах, а также идентифицирован на Марсе. Физика, стоящая за его поведением, может продвинуть наше понимание и проектирование материалов, управляющих теплом при экстремальных перепадах температур. В более широком смысле это дает ключ к пониманию тепловой истории планет.

Единая теория для кристаллов и стекол

Теплопроводность зависит от того, упорядочена ли атомная структура материала, как в кристалле, или хаотична, как в стекле. На квантовом уровне это определяет, как движется тепло. Грубо говоря, в кристаллах теплопроводность обычно падает с ростом температуры, а в стеклах — растет.

В 2019 году Симончелли, Марцари и Маури вывели единое уравнение, которое описывает эти противоположные тенденции. Что еще важнее, оно также описывает поведение материалов с дефектами или частичным беспорядком, которые используются в термоэлектриках для утилизации тепла, перовскитных солнечных батареях и теплозащитных покрытиях.

Используя это уравнение, ученые изучили связь между атомной структурой и теплопроводностью в диоксиде кремния — основном компоненте песка. Они предсказали, что особая форма диоксида кремния — тридимит, которую в 1960-х описали как типичную для метеоритов, — проявит гибридные свойства. Ее теплопроводность практически не будет меняться с температурой. Это необычное поведение аналогично инварному эффекту в тепловом расширении, за открытие которого в 1920 году дали Нобелевскую премию.

Это предсказание привело команду к экспериментаторам во Франции. Те получили специальное разрешение от Национального музея естественной истории в Париже, чтобы провести эксперименты с образцом тридимита, вырезанным из метеорита, упавшего в Штайнбахе (Германия) в 1724 году. Измерения подтвердили прогноз: метеоритный тридимит обладает структурой, промежуточной между кристаллом и стеклом, и его теплопроводность остается практически постоянной в диапазоне от 80 до 380 кельвинов.

Дальнейшее исследование показало, что такой материал может образовываться за десятилетия термического старения в огнеупорных кирпичах сталеплавильных печей. Сталь — один из ключевых материалов современной цивилизации, но ее производство углеродоемко. На каждый килограмм стали выбрасывается около 1.3 кг CO₂, а ежегодное производство в миллиард тонн дает примерно 7% выбросов углерода в США. Материалы на основе тридимита могли бы эффективнее контролировать высокие температуры в производстве стали, помогая сократить углеродный след отрасли.

От теории к реальным технологиям

В новой работе Симончелли использовал методы машинного обучения, чтобы преодолеть вычислительные ограничения традиционных методов и с квантовой точностью смоделировать атомные свойства, влияющие на перенос тепла. Квантовые механизмы, управляющие потоком тепла в гибридных материалах, могут также помочь понять поведение других квазичастиц в твердых телах: электронов, переносящих заряд, и магнонов, переносящих спин. Исследования в этой области питают новые технологии: носимая электроника на термоэлектриках, нейроморфные компьютеры и спинтронные устройства для обработки информации.

Группа Симончелли в Колумбийском университете строит работу на трех столпах: создание теорий, основанных на первых принципах, разработка ИИ-методов для точного предсказания свойств материалов и применение этих теорий и методов для решения конкретных промышленных задач.

Польза этого исследования выходит далеко за рамки академического интереса. Оно дает четкий рецепт для создания материалов с «запрограммированной» теплопроводностью. Зная уравнение и понимая роль атомного беспорядка, инженеры могут целенаправленно создавать вещества, которые не будут расширяться или менять свои тепловые свойства в критическом диапазоне температур. Это прямая дорога к:

• суперстабильным микрочипам: представьте процессоры, которые не перегреваются и не деформируются локально, что позволит увеличить плотность элементов и быстродействие.
• вечным тепловым барьерам: для газовых турбин, гиперзвуковых летательных аппаратов и космических кораблей, где перепады температур колоссальны.
• эффективной термоэлектрике: материалы, которые хорошо генерируют ток от перепада тепла (или наоборот), часто должны сочетать свойства кристалла и стекла. Теперь этот процесс можно оптимизировать осознанно, а не методом проб и ошибок.

Самое же прикладное и близкое последствие — потенциальная революция в металлургии. Если тридимитоподобные материалы действительно можно выращивать в печах, это может привести к созданию новых, невероятно долговечных и энергоэффективных огнеупоров. Снижение энергозатрат на производство стали — это гигантский вклад в декарбонизацию тяжелой промышленности.

Основное уязвимое место исследования лежит в области практического внедрения. Предсказание существования материала и его обнаружение в уникальном метеоритном образце — это блестящий фундамент. Однако ключевой вопрос: насколько масштабируемым и экономически целесообразным будет производство таких гибридных материалов в промышленных объемах? Синтез материалов с заданной степенью атомного беспорядка — сложная и дорогая технологическая задача. Авторы упоминают возможность образования тридимита в кирпичах печей за десятилетия, что скорее указывает на естественный, медленный процесс. Неясно, можно ли создать быстрый и контролируемый метод получения таких структур для, например, тонкопленочных покрытий микрочипов. Таким образом, между элегантной теорией, подтвержденной на редком метеорите, и массовым коммерческим продуктом может лежать длинный и тернистый путь материаловедческой инженерии.

Ранее ученые выяснили, почему на Землю не попадают определенные метеориты.