Een bol en een kubus kunnen zonder sneden of steken in elkaar worden vervormd. Een mok en een glas kunnen dat niet omdat, om de eerste in de tweede te vervormen, het handvat moet worden gebroken. Topologie is de tak van de wiskunde die dit verschil tussen mokken en glazen formaliseert, het ook uitbreiden tot abstracte ruimtes met vele dimensies. Een nieuwe theorie ontwikkeld door wetenschappers van SISSA in Triëst is erin geslaagd een nieuwe relatie tot stand te brengen tussen de aan- of afwezigheid van 'handvatten' in de ruimte van de rangschikkingen van atomen en moleculen waaruit een materiaal bestaat, en de neiging van de laatste om elektriciteit te geleiden. Volgens deze theorie is de isolatiematerialen 'uitgerust met handgrepen' kunnen zowel elektriciteit als metalen geleiden, met behoud van typische eigenschappen van isolatoren, zoals transparantie.

Het onderzoek, die zojuist in het tijdschrift is gepubliceerd Fysieke beoordeling X , is het nieuwste uit de fascinerende en bloeiende wereld van de topologie, een abstracte discipline die een krachtig handvat (bedoelde woordspeling!) geeft aan enkele van de meest exotische eigenschappen van materie. Op deze manier, wetenschappers van de School van Triëst hebben onderzocht hoe het ladingstransport en de stromen in generieke ionische vloeistoffen rigoureus kunnen worden geschat, in overeenstemming met de kwantumaard van het materiaal.

Ze hebben dus een theorie ontwikkeld om fysische verschijnselen te verklaren die al meer dan een eeuw bekend zijn, maar die tot nu toe geen rigoureuze interpretatieve basis en voorspellend raamwerk hadden, daarmee de basis leggen voor grote technologische ontwikkelingen, bijvoorbeeld op het gebied van thermo-elektrische materialen.

Metalen en mineraalwater, reflectie en transparantie

"We verdelen materialen meestal in geleiders en isolatoren op basis van hun neiging om elektriciteit te geleiden of niet, " verklaren de onderzoeksauteurs Paolo Pegolo, Federico Grasselli en Stefano Baroni. "In een metaal, wat een typische geleider is, sommige elektronen bewegen vrij binnen het ionische kristalrooster. Echter, sommige vloeistoffen, zoals mineraalwater, geleiden ook elektriciteit, dankzij het transport van geladen ionen die erin zijn opgelost. In dit geval, we spreken van ionengeleiders, die transparant zijn, terwijl metalen reflecterend zijn." Ionische vloeistoffen waren de focus van de recente studie. "We wilden een theorie ontwikkelen die gebaseerd is op de kwantumaard van atomen en in staat zijn om ladingstransport in dit soort geleiders te beschrijven", leggen de wetenschappers uit. "Een goede verklaring van het fenomeen kan ook nuttig zijn om nieuwe materialen te creëren met ongekende elektrische eigenschappen."

Topologie ten dienste van de natuurkunde

De geleerden hebben de wiskundige instrumenten van de topologie geleend. Pegolo, De theorie van Grasselli en Baroni heeft dus transport in ionische vloeistoffen in verband gebracht met het bestaan ​​in een abstracte ruimte van structuren met gaten of handvatten. "Als deze structuren bestaan, het is mogelijk om elektronen te transporteren zonder de ionen te verplaatsen, waardoor de elektrische geleidingseigenschappen van een materiaal aanzienlijk worden verbeterd, terwijl het niet-metaalachtig en dus transparant blijft. Bij afwezigheid van gaten of handvatten, de elektronen blijven aan hun atoom gebonden en de geleiding is minder efficiënt." "Deze verschijnselen, " vervolgen de onderzoekers " zijn al minstens honderd jaar bekend in de natuurkunde. Ons onderzoek geeft hen een elegante en krachtige wiskundige basis en een betrouwbare theoretische ondersteuningsstructuur."

Mogelijke technologische ontwikkelingen

Deze theorie vindt toepassing in de wetenschap van thermo-elektrische materialen, die des te efficiënter zijn naarmate ze de geleiding van elektriciteit kunnen garanderen zonder op te warmen. De onderzoekers concluderen, "De materialen die in deze theorie worden beschreven, hebben geen metallische eigenschappen en geven dus de voorkeur aan thermische isolatie, maar de aanwezigheid van elektronen die voldoende mobiel zijn om te worden getransporteerd, verhoogt hun elektrische geleidbaarheid. Beide zijn belangrijke eigenschappen die, op technologisch vlak, zou een grote bijdrage kunnen leveren aan de ontwikkeling van efficiëntere en geavanceerdere apparaten."

De wetenschap van elektrolytmaterialen kan ook profiteren van de resultaten van dit onderzoek, in die zin dat een beter begrip van geleiding in afwezigheid van metalliciteit kan leiden tot ontwerpbatterijen die efficiënt en elektrochemisch stabiel zijn.