Een nieuwe theorie van kruisverschijnselen zou kunnen worden toegepast om te voorspellen of een nieuw materiaal effectief zou zijn voor gebruik in verschillende toepassingen, van verbeterde medische echografie tot efficiëntere koelkasten, aldus een onderzoeker van Penn State.

Kruisverschijnselen zijn de reacties van een systeem op externe prikkels. Ze komen voor in vrijwel elk systeem, van kwantum- tot macroschalen. Het bestaan ​​van kruisverschijnselen verklaart hoe een externe stimulus de stroom van onderdelen binnen een systeem aandrijft en hoe de functionaliteit en effectiviteit van het systeem afhangen van de drijvende kracht en mobiliteit van de stromende onderdelen.

"Bij de meeste materiaalstudies zijn kruisverschijnselen betrokken", zegt Zi-Kui Liu, Dorothy Pate Enright hoogleraar Materials Science and Engineering en auteur van de studie gepubliceerd in Materials Research Letters . "Als je een temperatuurgradiënt instelt over een thermo-elektrisch materiaal, zal het elektriciteit opwekken en dus stroom produceren voor elektriciteit zoals die wordt gebruikt in NASA-ruimtevaartuigen. Terwijl als je een hoge elektrische stroom toepast, de temperatuur kan dalen, wat kan worden nuttig voor koeling. Dit zijn kruisverschijnselen."

Liu merkte op dat kruisverschijnselen waarneembaar zijn in zowel natuurlijke als door mensen aangedreven systemen. Een voorbeeld van een natuurlijk systeem is de aarde zelf waar de warmte van de zon allerlei kruisverschijnselen tot gevolg heeft, waaronder verdamping van water en fotosynthese voor de groei van bomen en gewassen. Een voorbeeld van cross-fenomenen in een door mensen aangedreven systeem is de aandelenmarkt, waar een externe factor zoals een oorlog angst kan veroorzaken, waardoor meer mensen aandelen willen verkopen en de aandelenkoersen naar beneden drukken, en onder extreme omstandigheden de hele markt om de grens van stabiliteit te overschrijden, wat resulteert in een crash.

Volgens Liu gaat zijn nieuwe theorie over kruisverschijnselen verder dan de fenomenologische wetenschappelijke benadering, waarbij waarnemingen in experimenten worden gedaan om de relatie van verschijnselen tot elkaar te beschrijven op basis van wat wordt waargenomen.

"Je kunt fenomenologische observaties doen, maar je ook afvragen waarom het gebeurt," zei Liu. "We begrijpen de fundamentele wet en zeggen oké, die observatie is logisch. Maar je kunt ook nee zeggen, die observatie was oppervlakkig, er was iets anders dan we dachten dat er zou gebeuren dat nader onderzoek vereist. Met een beter begrip en zelfs nieuwe wetten, kan men voorspellen hoe stimuli een bepaald systeem in de toekomst beïnvloeden."

De nieuwe theorie omvat wat Liu de Zentropy-theorie noemt. Zentropie is gebaseerd op entropie, het deel van de tweede wet van de thermodynamica dat de mate uitdrukt van de wanorde van een systeem die optreedt gedurende een periode waarin er geen energie wordt toegepast om de orde te handhaven. Zentropy beschouwt hoe entropie plaatsvindt over meerdere schalen binnen een systeem door kwantummechanica, statistische mechanica en experimentele metingen van thermodynamica te integreren.

"Ons werk en het werk van anderen heeft methoden ontwikkeld om kinetische coëfficiënten, wat mobiliteit betekent, te voorspellen op basis van energie, d.w.z. thermodynamica," zei Liu. "En het huidige werk aan onze nieuwe theorie van kruisverschijnselen geeft aan dat de kruisverschijnselen te wijten zijn aan de afhankelijkheid van drijvende kracht van andere onafhankelijke variabelen naast de geconjugeerde variabele, d.w.z. thermodynamische grootheden. De mobiliteit hangt ook af van alle onafhankelijke variabelen, maar niet in termen van de algemeen gedefinieerde kruisverschijnselen. De fenomenologische benadering is niet gebaseerd op fundamenten en is dus niet zo rigoureus."

Deze nieuwe theorie van kruisfenomenen kan door onderzoekers worden gebruikt om experimentele ontdekkingen te begeleiden en een theoretisch begrip van experimentele waarnemingen te verschaffen. Dit zou onderzoekers in staat kunnen stellen om de beste manieren te voorspellen om nieuwe materialen met opkomend gedrag te ontwikkelen via kwantummechanica en statistische mechanica, zei Liu. Opkomend gedrag in een systeem verwijst naar kenmerken van het geheel die groter zijn dan de som der delen.

Liu wees op een voorbeeld gebaseerd op een ultrasone transducer, het draagbare deel van een ultrasone machine, die wordt gebruikt om de hartslag van een foetus in de baarmoeder te detecteren.

"De hartslag laat de transducer trillen en genereert vervolgens elektriciteit via ferro-elektriciteit, dus je 'ziet' elektriciteit op het scherm als een afbeelding van de baby," zei Liu. "Dat zijn kruisverschijnselen. Een mechanische trilling geeft je spanning, geen klassiek kruisverschijnsel, dat is gewoon spanning. Maar wanneer de spanning wordt omgezet in elektriciteit, zijn dat kruisverschijnselen. Vaak zijn echografiebeelden niet duidelijk en nogal wazig, maar als we dat kunnen voorspellen hoe we betere materialen kunnen ontwikkelen om een ​​gevoeligere transducer te maken, zullen de beelden een veel betere resolutie krijgen."

De volgende stap in deze studie is om te onderzoeken hoe deze nieuwe theorie van kruisfenomenen kan worden gebruikt als een voorspellend hulpmiddel om efficiëntere ontdekking mogelijk te maken van materialen met opkomend gedrag, waaronder supergeleiding, ferro-elektriciteit en ferromagnetisme voor toepassingen in energieconversie, koeling en sensoren. . + Verder verkennen

Nieuwe theorie van entropie kan problemen met materiaalontwerp oplossen