Theoretisch natuurkundigen van SISSA en de University of California in Davis hebben een nieuwe benadering ontwikkeld voor warmtetransport in materialen, die eindelijk kristallen toelaat, polykristallijne vaste stoffen, legeringen en glas moeten op dezelfde solide basis worden behandeld. Het opent de weg naar de numerieke simulatie van de thermische eigenschappen van een enorme klasse materialen op belangrijke gebieden zoals energiebesparing, conversie, opruimen, opslag, warmteafvoer, afscherming en de planetaire wetenschappen, die tot nu toe een behoorlijke computationele behandeling hebben ontweken. Het onderzoek is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Warmte verdwijnt na verloop van tijd. In zekere zin, warmtestroom is het bepalende kenmerk van de pijl van de tijd. Ondanks het fundamentele belang van warmtetransport, de vader van zijn moderne theorie, Mijnheer Rudolph Peierls, schreef in 1961, "Het lijkt erop dat er geen probleem is in de moderne natuurkunde waarvoor er zoveel valse starts zijn geregistreerd, en evenveel theorieën die een essentieel kenmerk over het hoofd zien, zoals in het probleem van de thermische geleidbaarheid van niet-geleidende kristallen."

Sindsdien is er een halve eeuw verstreken, en warmtetransport is nog steeds een van de meest ongrijpbare hoofdstukken van de theoretische materiaalkunde. Eigenlijk, geen enkele benadering heeft kristallen en (gedeeltelijk) ongeordende vaste stoffen op gelijke voet kunnen behandelen, waardoor de inspanningen van generaties materiaalwetenschappers om bepaalde materialen te simuleren, worden belemmerd, of verschillende toestanden van hetzelfde materiaal die voorkomen in hetzelfde fysieke systeem of apparaat met dezelfde nauwkeurigheid.

Deze grote kloof is eindelijk gedicht door een groep onderzoekers van SISSA en UC Davis, geleid door Stefano Baroni en Davide Donadio in het kader van het MAX EU Center for Supercomputing Applications. De onderzoekers hebben een nieuwe methodologie ontwikkeld op basis van de Green-Kubo-theorie van lineaire respons en concepten uit roosterdynamica die een mooie brug slaat tussen verschillende benaderingen die van toepassing zijn op kristallen en glazen. De nieuwe methodologie houdt natuurlijk rekening met kwantummechanische effecten, waardoor uiteindelijk de voorspellende modellering van warmtetransport in complexe ongeordende materialen in het lage-temperatuur kwantumregime mogelijk is waarop geen bestaande techniek van toepassing was.

Deze prestatie zal wetenschappers en ingenieurs dus in staat stellen om warmtetransport te begrijpen en te ontwerpen voor een breed scala aan toepassingen. Het bereiken van een extreem lage thermische geleidbaarheid is essentieel voor het oogsten van thermo-elektrische energie en koeling in vaste toestand, thermische isolatie en thermische barrièredeklaag, terwijl een hoge thermische geleidbaarheid de sleutel is voor warmtebeheer in high-power elektronica, batterijen en fotovoltaïsche apparaten. Eindelijk, nanogestructureerd, polykristallijn, zeer gebrekkige of zelfs glasachtige materialen kunnen met hoge nauwkeurigheid worden bestudeerd binnen een uniform en praktisch kader.