Een ontdekking door wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy ondersteunt een eeuwenoude theorie van Albert Einstein die uitlegt hoe warmte door alles beweegt, van reisbekers tot motoronderdelen.

De overdracht van warmte is fundamenteel voor alle materialen. Dit nieuwe onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap , onderzochte thermische isolatoren, dat zijn materialen die de overdracht van warmte blokkeren.

"We zagen bewijs voor wat Einstein in 1911 voor het eerst voorstelde - dat warmte-energie willekeurig van atoom naar atoom springt in thermische isolatoren, " zei Lucas Lindsay, materiaaltheoreticus bij ORNL. "Het hoppen is een aanvulling op de normale warmtestroom door de collectieve vibratie van atomen."

Het willekeurige energiehoppen is niet merkbaar bij materialen die warmte goed geleiden, zoals koper op de bodem van pannen tijdens het koken, maar kan detecteerbaar zijn in vaste stoffen die minder goed in staat zijn om warmte door te geven.

Deze observatie bevordert het begrip van warmtegeleiding in thermische isolatoren en zal helpen bij de ontdekking van nieuwe materialen voor toepassingen van thermo-elektriciteit die afvalwarmte terugwint tot barrièrecoatings die overdracht van warmte voorkomen.

Lindsay en zijn collega's gebruikten geavanceerde trillingsdetectietools om de beweging van atomen en supercomputers te detecteren om de reis van warmte door een eenvoudig op thallium gebaseerd kristal te simuleren. Uit hun analyse bleek dat de atomaire trillingen in het kristalrooster te traag waren om veel warmte door te geven.

"Onze voorspellingen waren twee keer lager dan we uit onze experimenten hebben waargenomen. We waren aanvankelijk verbijsterd, "Zei Lindsay. "Dit leidde tot de observatie dat er een ander warmteoverdrachtsmechanisme in het spel moet zijn."

Wetende dat het tweede warmteoverdrachtskanaal van willekeurig energiehoppen bestaat, zal onderzoekers informeren over het kiezen van materialen voor warmtebeheertoepassingen. Deze vonst, indien toegepast, energiekosten drastisch kunnen verlagen, CO2-uitstoot en restwarmte.

Veel bruikbare materialen, zoals silicium, hebben een chemisch gebonden rooster van atomen. Warmte wordt meestal door dit rooster gedragen door atomaire trillingen, of geluidsgolven. Deze warmtedragende golven botsen tegen elkaar, wat de overdracht van warmte vertraagt.

"Het op thallium gebaseerde materiaal dat we hebben bestudeerd, heeft een van de laagste thermische geleidbaarheid van alle kristallen, Lindsay zei. "Veel van de vibrerende energie is beperkt tot enkele atomen, en de energie springt dan willekeurig door het kristal."

"Zowel de geluidsgolven als het heat-hopping-mechanisme dat voor het eerst door Einstein werd getheoretiseerd, karakteriseren een tweekanaalsmodel, en niet alleen in dit materiaal, maar in verschillende andere materialen die ook ultralage geleidbaarheid vertonen, ", zegt materiaalwetenschapper David Parker van ORNL.

Voor nu, heat-hopping is mogelijk alleen detecteerbaar in uitstekende thermische isolatoren. "Echter, dit warmteverspringende kanaal kan heel goed aanwezig zijn in andere kristallijne vaste stoffen, een nieuwe hefboom creëren voor het beheer van warmte, " hij zei.

De hoofdauteur van de studie was Saikat Mukhopadhyay, een voormalig postdoctoraal onderzoeksmedewerker bij ORNL en momenteel een onderzoeksmedewerker van de National Research Council bij het U.S. Naval Research Laboratory.

Extra co-auteurs van het artikel getiteld, "Tweekanaalsmodel voor ultralage thermische geleidbaarheid van kristallijn Tl3VSe4, " inclusief ORNL's David S. Parker, Brian C. Verkoop, Alexander A. Puretzky, Michael A. McGuire en Lucas Lindsay.