Atrastas nežemiškas mineralas: laužo šilumos dėsnius

Mokslininkus nustebino retas mineralas, rastas senoviniame meteorite ir Marse. Jo unikali savybė – šilumos laidumas nesikeičia, nesvarbu, ar temperatūra kyla, ar krenta. Skirtingai nei įprastos medžiagos, šis mineralas nėra nei tikras kristalas, nei stiklas – jis yra kažkur per vidurį ir elgiasi visiškai netikėtai.

Neįprastas šilumos kelias: nuo meteorito iki ateities technologijų

Šilumos laidumas lemia daugelio šiuolaikinių technologijų veikimą – nuo elektronikos iki šiluminių skydų aviacijoje ir kosmose. 

Paprastai kristalai ir stiklai šilumą perduoda skirtingai. Tačiau 2019 m. atrastas retas mineralas, esantis meteorituose ir Marse, elgiasi kaip hibridas tarp kristalo ir stiklo. Jo šilumos laidumas išlieka pastovus net keičiantis temperatūrai. Tai gali pakeisti medžiagų kūrimo principus ir padėti spręsti pramoninius iššūkius esant itin aukštai ar kintančiai temperatūrai.

Dabar Sorbonos universiteto mokslininkai patvirtino šią hipotezę, ištirdami silicio dioksido (tridimito). Tam jie panaudojo pavyzdį iš 1724 m. Vokietijoje rastos meteorito liekanos. 

Ši tridimito medžiaga pasižymi unikaliu pastoviu šilumos laidumu temperatūrų intervale nuo 80 K iki 380 K, nes jos atominė struktūra yra tarp tvarkingos kristalinės ir netvarkingos stikliškos.

Tolesni tyrimai parodė, kad tokia medžiaga gali susidaryti ir šiluminio senėjimo metu ugniai atspariose plytose, naudojamose plieno gamybos krosnyse. 

Kadangi plieno gamyba yra itin intensyvi – 1 kg plieno išskiria apie 1,3 kg CO₂, o kasmet pagaminama beveik 1 mlrd. tonų plieno sudaro apie 7 proc. JAV anglies emisijų – tridimito pagrindu sukurtos medžiagos galėtų padėti efektyviau valdyti karštį ir mažinti pramonės anglies pėdsaką.

Šis atradimas gali atverti naujas galimybes kuriant atsparias temperatūros pokyčiams medžiagas ir skatinti efektyvesnę bei tvaresnę technologijų plėtrą

Dirbtinis intelektas, kvantinė fizika ir šilumos valdymo ateitis

Naujame tyrime Kolumbijos universiteto profesorė Michele Simoncelli panaudojo mašininio mokymosi metodus, kad įveiktų tradicinių skaičiavimo apribojimus ir tiksliai modeliuotų atomines savybes, kurios lemia šilumos perdavimą kvantiniu lygmeniu. 

Šie kvantiniai mechanizmai, valdantys šilumos srautą hibridinėse kristalų ir stiklo medžiagose, padeda geriau suprasti ir kitų sujaudinimų elgseną. Pavyzdžiui, elektronų, pernešančių krūvį, ar magnonų, pernešančių sukinį.

Šie tyrimai yra pagrindas naujoms technologijoms, tokioms kaip dėvimi įrenginiai, veikiantys termoakumuliacijos principu, neuromorfinė kompiuterija, spintronikos įrenginiai, naudojantys magnetines eksitacijas informacijos apdorojimui.

M. Simoncelli grupė Kolumbijos universitete dirba trimis pagrindinėmis kryptimis. Tai yra, kuria pirmųjų principų grindžiamas teorijas, leidžiančias prognozuoti eksperimentinius duomenis, vysto dirbtinio intelekto simuliacijas, kurios tiksliai numato medžiagų savybes. Taip pat jie taiko šias žinias ir metodus naujoms medžiagoms kurti, sprendžiant pramonės ir inžinerijos iššūkius.