NCCR MARVEL-onderzoekers hebben een nieuwe microscopische theorie ontwikkeld die warmtetransport op zeer algemene manieren kan beschrijven, en is evengoed van toepassing op geordende of ongeordende materialen zoals kristallen of glazen en op alles daartussenin. Dit is niet alleen een belangrijke primeur - tot nu toe heeft geen enkele transportvergelijking deze twee regimes tegelijkertijd kunnen verklaren - het laat ook zien:verrassend genoeg, dat warmte kwantummechanisch kan tunnelen, in plaats van weg te diffunderen als een atomaire vibratie. De nieuwe vergelijking maakt voor het eerst ook de nauwkeurige voorspelling van de prestaties van thermo-elektrische materialen mogelijk. Met ultralage, glasachtig, warmtegeleiding, dergelijke materialen zijn zeer gewild in energieonderzoek. Ze kunnen warmte omzetten in elektriciteit, of elektriciteit gebruiken voor koeling zonder pompen en milieubelastende gassen.

Kristallen en glazen geleiden warmte op fundamenteel verschillende manieren. De regelmatige rangschikking van atomen in een kristal betekent dat warmte wordt geleid door de voortplanting van trillingsgolven - dit is wat er gebeurt, bijvoorbeeld, in een siliciumchip in een computer.

met bril, die ongeordend zijn tot op atomaire schaal, warmte wordt veel langzamer overgedragen door een willekeurig gehuppel van trillingen. 1929, de natuurkundige Rudolf Peierls legde de basis voor het beschrijven van warmteoverdracht, de nog recente transporttheorie van Boltzmann toepassend op kristallen, en het afleiden van de beroemde transportvergelijking voor fononen - het is sindsdien de trouwe geweest van microscopische theorieën over warmteoverdracht.

Na vele decennia, en ondersteund door het zich snel ontwikkelende veld van moleculaire dynamica-simulaties, Philip Allen en Joseph Feldman volgden in 1989 een vergelijking op voor brillen. Nutsvoorzieningen, MARVEL-wetenschappers hebben ontdekt hoe ze een meer algemene formulering kunnen afleiden die beide klassen materialen even goed beschrijft, evenals alles daartussenin.

In de paper "Unified theory of thermal transport in crystals and glass, " eruit nu in Natuurfysica , EPFL Ph.D. leerling Michele Simoncelli, samen met Nicola Marzari, directeur van NCCR MARVEL, en een professor aan het Institute of Materials, en collega Francesco Mauri aan de Universiteit van Rome La Sapienza, ontlenen aan een algemene theorie voor dissipatieve kwantumsystemen de microscopische vergelijking die rekening houdt met zowel de deeltjesachtige als de golfachtige eigenschappen van warmteoverdracht.

Het blijkt dat Peierls een belangrijk onderdeel van de warmtevoortplanting had weggegooid, waar vibratie-excitaties kunnen tunnelen, kwantum-achtig, van de ene staat naar de andere. Hoewel dergelijke tunnelbijdragen verwaarloosbaar zijn in perfecte kristallen, ze worden relevanter naarmate een systeem ontregeld raakt, en in een glas, ze geven aanleiding tot het Allen-Feldman-formalisme. Maar de nieuwe vergelijking is veel algemener en kan met dezelfde nauwkeurigheid worden toegepast op elk materiaal, die de opkomst en het naast elkaar bestaan ​​van alle bekende vibrationele excitaties omvat. Kritisch, deze nieuwe theorie van warmtegeleiding omvat materialen die zowel kristalachtig als glasachtig zijn - deze zijn van groot technologisch belang, omdat ze zeer goede thermo-elektriciteit kunnen zijn, dat is, materialen die warmte kunnen omzetten in elektriciteit, of elektriciteit in koeling.

Thermo-elektrische materialen zijn van belang in energietoepassingen omdat ze elektriciteit opwekken uit beschikbare warmte zoals die afkomstig van industriële processen, auto- en vrachtwagenmotoren, of van de zon. Het hebben van efficiëntere thermo-elektrische materialen (ongeveer drie keer de huidige norm) zou al onze koel- en airconditioningtechnologieën volledig veranderen, omdat thermo-elektrische materialen omgekeerd kunnen worden gebruikt en elektriciteit kunnen gebruiken voor koeling in plaats van elektriciteit uit warmte te produceren. Opmerkelijk, Albert Einstein werkte acht jaar aan koelkasten, van 1926 tot 1934, en op het hoogtepunt van zijn intellectuele vermogens, samen met zijn leerling Leó Szilárd, hij patenteerde een koelkast zonder bewegende delen, zoals zou gebeuren in een thermo-elektrische koelkast.

Het maken van dergelijke apparaten, echter, vereist een grondig begrip van hoe en in welke mate warmte geleidt. En tot nu toe, theorie en modellering heeft beperkt succes gehad. Een goede thermo-elektrische moet een elektrische geleider zijn, en dus vrij kristallijn, maar ook een thermische isolator, en dus behoorlijk glazig - het moet positieve en negatieve ladingen aan twee verschillende kanten van een apparaat kunnen dragen en condenseren, het creëren van een elektrische potentiaal. Proberen om thermo-elektriciteit te behandelen als kristallen of glazen in termen van de warmtetransportvergelijkingen die tot nu toe beschikbaar waren, zou echter tot zeer grote fouten leiden en daarom was het erg moeilijk om hun efficiëntie te voorspellen.

Het nieuwe begrip dat in het papier wordt geschetst en nauwkeurigere schattingen van thermische geleidbaarheid, samen met gegevens over de elektrische geleidbaarheid, zal wetenschappers in staat stellen om het "cijfer van verdienste" van thermo-elektriciteit te berekenen, en geef een schatting van hun efficiëntie. Gewapend met dit belangrijke stuk informatie, onderzoekers zullen potentiële materialen eerst kunnen screenen met computationele technieken, het ontwikkelingstraject voor deze nieuwe technologieën versnellen.