當所有細節(jié)都很重要時能源材料中的熱傳輸

NOMAD 實驗室的研究人員最近闡明了提供定制隔熱材料的基本微觀機制。這一發(fā)展推動了為提高能源效率和可持續(xù)性所做的持續(xù)努力。

熱傳輸?shù)淖饔迷诟鞣N科學和工業(yè)應(yīng)用中至關(guān)重要，例如催化、渦輪技術(shù)和將廢熱轉(zhuǎn)化為電能的熱電熱轉(zhuǎn)換器。特別是在節(jié)能和可持續(xù)技術(shù)發(fā)展的背景下，具有高隔熱能力的材料至關(guān)重要。這些材料可以保留和利用否則會浪費掉的熱量。因此，改進高絕緣材料的設(shè)計是實現(xiàn)更節(jié)能應(yīng)用的關(guān)鍵研究目標。

然而，盡管基本的基本物理定律已為人所知近一個世紀，但設(shè)計強熱絕緣體絕非易事。在微觀層面上，半導體和絕緣體中的熱傳輸被理解為原子圍繞其在晶格中的平衡位置的集體振蕩。這些振蕩在該領(lǐng)域被稱為“聲子”，涉及固體材料中的無數(shù)原子，因此涵蓋了大的、幾乎是宏觀的長度和時間尺度。

在Physical Review B(編輯建議)和Physical Review Letters最近的聯(lián)合出版物中，F(xiàn)ritz Haber 研究所 NOMAD 實驗室的研究人員提高了計算可能性，無需實驗輸入即可以前所未有的精度計算熱導率。他們證明，對于強熱絕緣體，上述聲子圖是不合適的。他們使用馬普學會、北德超級計算聯(lián)盟和 Jülich 超級計算中心的超級計算機進行大規(guī)模計算，掃描了超過 465 種尚未測量導熱系數(shù)的晶體材料。除了找到 28 種堅固的熱絕緣體(其中 6 種具有可與木材相媲美的超低熱導率)之外，這項研究還揭示了迄今為止通常被監(jiān)督的機制，該機制允許系統(tǒng)地降低熱導率。“我們觀察到缺陷結(jié)構(gòu)的臨時形成，這些缺陷結(jié)構(gòu)會在極短的時間內(nèi)對原子運動產(chǎn)生巨大影響”，兩篇出版物的第一作者 Florian Knoop 博士(現(xiàn)為林雪平大學)說。“這種影響在熱導率模擬中通常被忽略，因為與典型的熱傳輸尺度相比，這些缺陷存在時間如此短且在微觀上如此局限，以至于它們被認為是無關(guān)緊要的。然而，進行的計算表明它們會引發(fā)較低的熱導率”，該研究的資深作者克里斯蒂安·卡博尼奧博士補充道。

這些見解可能為通過缺陷工程在納米級微調(diào)和設(shè)計熱絕緣體提供新的機會，可能有助于節(jié)能技術(shù)的進步。

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