Asegun Henry wil de ergste effecten van klimaatverandering afwenden door nieuwe vormen van hernieuwbare energie te vinden en de materialen die bijdragen aan het energieverbruik te verbeteren.

"De manier waarop we tegenwoordig elektriciteit produceren, vervuilt het milieu, " zei Hendrik, een professor werktuigbouwkunde aan Georgia Tech. "Mijn onderzoek is voornamelijk gericht op het omzetten van ons van een infrastructuur op basis van fossiele brandstoffen naar een infrastructuur op basis van hernieuwbare of zonne-energie, zodat we kunnen vertrouwen op hernieuwbare vormen van energie die de wereld helemaal niet vervuilen.

"Persoonlijk zie ik dat als het redden van de wereld."

Wat Henry's benadering van energieproblemen anders maakt dan die van andere ingenieurs, is zijn achtergrond in computermodellering op atomair niveau.

"Ik begrijp verschillende processen in termen van wat er gaande is op atomair niveau, Henry zei. "Dat stelt me ​​in staat om inzichten en kansen te ontwikkelen voor nieuwe ideeën die anders zijn dan andere die op macroscopisch niveau komen."

Zijn onderzoek is vooral geïnteresseerd in hoe warmtetransport op de kleinste schaal werkt.

In oktober, Henry publiceerde de resultaten van een onderzoek naar amorf siliciumdioxide - beter bekend als glas - in Natuurwetenschappelijke rapporten dat beantwoordde een al lang bestaand mysterie over het alledaagse materiaal:waarom de thermische geleidbaarheid stijgt met de temperatuur.

Het warmtetransport in amorf silicium wordt bepaald door het gedrag van fononen in het materiaal. Fononen zijn vergelijkbaar met elektronen of fotonen, doordat ze warmte dragen, maar in plaats van afkomstig te zijn van elektromagnetische straling of negatief geladen subatomaire deeltjes, ze worden geassocieerd met de collectieve vibraties van atomen.

Wetenschappers kunnen de thermische geleidbaarheid van veel kristallijne materialen nauwkeurig voorspellen met behulp van uitdrukkingen die zijn gebaseerd op het veelgebruikte "fonongasmodel". Echter, het modelleren van warmteoverdracht in amorfe materialen - die de orde en periodiciteit van een kristal missen - is een grotere uitdaging.

"In tegenstelling tot kristallijne materialen, waar de trillingen collectieve bewegingen worden die werken als geluidsgolven, in amorfe materialen, je krijgt een ander soort trillingen, waarvan de meeste willekeurig lijken, zoals de onderliggende structuur, Henry legde uit. "Je wordt zelfs klein, gelokaliseerde trillingen die uit slechts tientallen atomen bestaan."

Van deze kleine trillingen was bekend dat ze bestonden, maar niemand had ooit beoordeeld hoeveel ze bijdragen aan warmteoverdracht.

"De veronderstelling was dat ze helemaal niet bijdragen, Henry zei. "Maar wat we met onze nieuwe methode verrassend vonden, was dat in dit specifieke materiaal, de gelokaliseerde modi dragen aanzienlijk bij."

Met behulp van de Stampede-supercomputer in het Texas Advanced Computing Center - een van de krachtigste ter wereld - voerde Henry simulaties uit die het gedrag van gelokaliseerde trillingen vastlegden als nooit tevoren.

De resultaten kwamen niet alleen overeen met de experimentele resultaten, ze ontdekten dat gelokaliseerde modi meer dan 10 procent bijdroegen aan de totale thermische geleidbaarheid en grotendeels verantwoordelijk zijn voor de toename van de thermische geleidbaarheid van amorf silicium boven kamertemperatuur.

"Deze berekeningen die worden gedaan zijn onhandelbaar op een enkele machine. Je zou jaren wachten om het antwoord te krijgen, " zei hij. "Om het probleem op te splitsen in honderden of duizenden afzonderlijke delen die gelijktijdig worden uitgevoerd, en het massaal parallel doen is volledig mogelijk."

De thermische geleidbaarheid van glas is namelijk belangrijk voor de energie-efficiëntie.

"Dubbelcijferige percentages van al het energieverbruik in de VS is gerelateerd aan glas, "Zei Henry. "De belangrijkste plaats waar je warmte verliest, is door ramen."

Niet alleen dat:amorf silicium wordt gebruikt in zonnecellen, en de meeste polymeren - kunststoffen - zoals die worden gebruikt in persoonlijke elektronica, zijn samengesteld uit amorfe materialen.

Henry's successen bij het vastleggen van de atomaire trillingen van glas waren te danken aan de ontwikkeling van een nieuwe manier om de dynamiek van fononen te bestuderen, waarmee hij samen met Wei Lv had gemaakt, een doctoraatsstudent in zijn lab, Bekend als Green-Kubo modale analyse (GKMA), de nieuwe methode maakt gebruik van moleculaire dynamica-simulaties om de bijdragen van verschillende trillingsvormen aan de warmtegeleiding nauwkeuriger te berekenen.

In december 2016, Henry en Lv publiceerden een brede analyse van GKMA versus het fonongasmodel in Natuurwetenschappelijke rapporten . Hun resultaten suggereren sterk dat het fonongasmodel niet toepasbaar is op amorfe vaste stoffen. Het onderzoek wordt mede mogelijk gemaakt door een National Science Foundation (NSF) CAREER Award.

De GKMA-methode kan worden toegepast op een breed scala aan materialen, inclusief legeringen, andere amorfe vaste stoffen en zelfs starre moleculen.

Het begrijpen en nauwkeurig modelleren van deze systemen kan leiden tot betere, meer energie-efficiënte vormen van alledaagse materialen.

"Het project van Asegun is een uitstekend voorbeeld van het soort inspanning dat door NSF wordt ondersteund:basis, erg complex, en toch potentieel verstorend voor de technische praktijk, " zei José Lage, Programmadirecteur NSF Thermische Transportprocessen. "Zijn inspanning loopt voorop in een van de meest opwindende nieuwe onderzoeksgebieden in thermische transportprocessen, en heeft ons begrip van een zeer complex technisch fenomeen al beïnvloed."

uiteindelijk, Henry hoopt de inzichten die hij heeft opgedaan te gebruiken om materialen met ongekende eigenschappen te identificeren en te ontwerpen - materialen die warmte veel efficiënter kunnen overbrengen en mogelijk zelfs supergeleidende materialen.

"We staan ​​op het punt om onze gemeenschap ertoe aan te zetten het probleem van thermische geleidbaarheid te heroverwegen en gedragingen te benutten om eigenschappen te bereiken waarvan eerder werd gedacht dat ze onmogelijk waren, " hij zei.

Sonificerende simulaties

Wetenschappers begrijpen gegevens doorgaans door middel van grafieken en visualisaties. Maar is het mogelijk om geluid te gebruiken om complexe informatie te interpreteren?

Henry gelooft van wel, op basis van zijn persoonlijke ervaringen met het verkrijgen van inzichten uit opnames van atomaire trillingen. Zijn inspanningen begonnen toen hij de resultaten probeerde te begrijpen van een simulatie van een uitgerekte polymeerketen.

"Als je naar de gegevens kijkt, het lijkt op witte ruis, Henry zei. "We besloten de gegevens te sonificeren, en zodra we ernaar luisterden, we konden het patroon horen."

Henry, die een achtergrond in muziek heeft, zegt dat dit logisch is, gezien de natuurlijke audioverwerkingscapaciteiten van de hersenen.

"Het menselijk oor is beter in patroonherkenning dan het oog, Henry zei. "Als je interactie hebt met een orgaan dat beter is, je kunt patronen vinden die niet voor de hand liggen."

Sindsdien, hij heeft de trillingen van verschillende materialen gesonificeerd als een manier om hun betekenis te onderzoeken.

"Als je naar de spreker luistert, de magneet doet dezelfde bewegingen als het atoom, " hij zei.

Het omzetten van atomaire eigenschappen in geluid kan ook een effectieve manier zijn om studenten te interesseren voor natuurkunde en materiaalkunde. Als onderdeel van zijn NSF CAREER-prijs, Henry heeft een zomerprogramma geleid waar Afro-Amerikaanse en vrouwelijke studenten, muziekleraren op de middelbare school, en middelbare scholieren zijn bezig om de trillingen van atomen om te zetten in geluidsbestanden.

Ze zullen resultaten genereren voor het hele periodiek systeem en hun bevindingen verspreiden via een mobiele app waarmee je naar elk element kunt luisteren.

Individuen kunnen de mobiele app gebruiken om muziek te maken van deze geluiden, een nieuwe manier voor het publiek om de schoonheid van scheikunde te leren en te waarderen.

"De benadering van het gebruik van sonificatie is vrij algemeen en kan voor veel gebieden zinvol zijn, omdat het gebruik maakt van een basiseigenschap van menselijk horen versus zien, Henry zei. "Hopelijk zal onze applicatie meer gebruik maken van wetenschap en techniek."