Warmtetransport in energiematerialen: studie verduidelijkt fundamentele microscopische mechanismen

De onderzoekers van het NOMAD-laboratorium hebben onlangs licht geworpen op fundamentele microscopische mechanismen die kunnen helpen bij het op maat maken van materialen voor warmte-isolatie. Deze ontwikkeling bevordert de voortdurende inspanningen om de energie-efficiëntie en duurzaamheid te verbeteren.

De rol van warmtetransport is cruciaal in verschillende wetenschappelijke en industriële toepassingen, zoals katalyse, turbinetechnologieën en thermo-elektrische warmteomzetters die afvalwarmte omzetten in elektriciteit.

Vooral in het kader van energiebesparing en de ontwikkeling van duurzame technologieën zijn materialen met een hoog thermisch isolerend vermogen van het grootste belang. Deze materialen maken het mogelijk warmte vast te houden en te benutten die anders verloren zou gaan. Daarom is het verbeteren van het ontwerp van sterk isolerende materialen een belangrijk onderzoeksdoel om meer energie-efficiënte toepassingen mogelijk te maken.

Het ontwerpen van sterk warmte-isolatoren is echter verre van triviaal, ondanks het feit dat de onderliggende fundamentele natuurkundige wetten al bijna een eeuw bekend zijn. Op microscopisch niveau werd warmtetransport in halfgeleiders en isolatoren begrepen in termen van de collectieve oscillatie van de atomen rond hun evenwichtsposities in het kristalrooster. Deze oscillaties, in het veld “fononen” genoemd, omvatten een groot aantal atomen in vaste materialen en bestrijken daarom grote, bijna macroscopische lengte- en tijdschalen.

In een recente gezamenlijke publicatie in Fysieke beoordeling B En Fysieke beoordelingsbrieven, hebben onderzoekers van het NOMAD-laboratorium van het Fritz Haber Institute de computationele mogelijkheden verbeterd om thermische geleidbaarheid te berekenen zonder experimentele invoer met een ongekende nauwkeurigheid. Ze toonden aan dat voor sterke warmte-isolatoren het bovengenoemde fononbeeld niet geschikt is.

Met behulp van grootschalige berekeningen op supercomputers van de Max Planck Society, de Noord-Duitse Supercomputing Alliance en het Jülich Supercomputing Center scanden ze meer dan 465 kristallijne materialen, waarvan de thermische geleidbaarheid nog niet was gemeten. Naast het vinden van 28 sterke thermische isolatoren, waarvan er zes een ultralage thermische geleidbaarheid hebben die vergelijkbaar is met die van hout, wierp deze studie licht op een tot nu toe typisch gecontroleerd mechanisme dat het mogelijk maakt om de thermische geleidbaarheid systematisch te verlagen.

“We hebben de tijdelijke vorming van defecte structuren waargenomen die gedurende een extreem korte tijd de atomaire beweging enorm beïnvloeden”, zegt Dr. Florian Knoop (nu Linköping University), eerste auteur van beide publicaties.

“Dergelijke effecten worden doorgaans verwaarloosd in simulaties van thermische geleidbaarheid, aangezien deze defecten zo kortstondig en zo microscopisch gelokaliseerd zijn in vergelijking met typische warmtetransportschalen, dat wordt aangenomen dat ze niet relevant zijn. Uit de uitgevoerde berekeningen bleek echter dat ze lagere thermische geleidbaarheid, “voegt Dr. Christian Carbogno toe, een senior auteur van de studies.

Deze inzichten bieden mogelijk nieuwe mogelijkheden om thermische isolatoren op nanoschaal te verfijnen en te ontwerpen door middel van defect engineering, wat mogelijk bijdraagt ​​aan de vooruitgang in energie-efficiënte technologie.