Hybride ruimtemineraal zorgt voor een revolutie in warmtebeheersing

Mechanica

Redactieteam van de website voor technologische innovatie - 08/06/2025

De bestudeerde materialen omvatten kristallijn meteoriettridymiet (links), een tridymietfase met een kristallijne bindingsorde en amorfe bindingsgeometrie (midden) en volledig amorf silicaglas (rechts). Rood staat voor zuurstof (O), blauw voor silicium (Si), en veelvoorkomende tetraëdrische structuren van SiO4 zijn gemarkeerd in blauw gearceerd. [Afbeelding: Simoncelli Lab]

Hybride van kristal en glas

Het beheersen van de warmtestroom is essentieel voor talloze technologieën, van motoren en generatoren tot de koeling van elektronische apparaten en het hergebruiken van warmte die moet worden afgevoerd bij de werking van machines en apparatuur.

Om de prestaties en duurzaamheid van materialen die in deze verschillende toepassingen worden gebruikt te optimaliseren, is het essentieel om te begrijpen hoe de chemische samenstelling en atomaire structuur van elk materiaal (bijvoorbeeld de kristallijne, glasachtige, nanogestructureerde structuur, enz.) de warmtegeleidingscapaciteit bepalen.

Kristallijne materialen (kristallen, metalen , enz.) en amorfe materialen ( glas en keramiek ) hebben doorgaans tegengestelde warmtegeleidingseigenschappen. De eerste zijn uitstekende warmtegeleiders en warmen zeer snel op, terwijl de laatste het tegenovergestelde effect hebben. Dit is goed voor veel dingen, maar het maakt elke vorm van nauwkeurige controle onmogelijk.

Maar nu heeft een samenwerking tussen theoretici en experimentatoren voor het eerst het bestaan bevestigd van een materiaal met hybride thermische eigenschappen, zowel kristal als glas. Het is een mineraal dat uit de ruimte komt, maar door het te begrijpen, zou het mogelijk zijn om het hier op aarde te produceren.

De fundamentele natuurkunde achter dit ongewone gedrag vergroot onze kennis van de materialen die worden gebruikt bij warmtebeheer en kan helpen bij het ontwerpen van nieuwe materialen die bestand zijn tegen extreme temperatuurverschillen. De ontdekking belooft zelfs meer inzicht te bieden in de thermische geschiedenis van planeten.

Ruimtemineraal

Ongeveer vijf jaar geleden ontdekten de theoretische leden van het team een nieuwe vorm van warmtevoortplanting: viskeuze warmte . Ze ontwikkelden één vergelijking die de tegengestelde trends in thermische geleidbaarheid in kristallen en glas beschrijft en, belangrijker nog, het tussenliggende gedrag van defecte of gedeeltelijk ongeordende materialen beschrijft.

En deze tussenliggende toestanden zijn heel bijzondere en interessante gevallen. Voorbeelden hiervan zijn materialen die bijvoorbeeld in thermo-elektrische centrales worden gebruikt voor de terugwinning van restwarmte, perovskiet-zonnecellen en thermische coatings voor isolatie.

Met behulp van die vergelijking onderzochten ze nu de relatie tussen atoomstructuur en thermische geleidbaarheid in materialen gemaakt van siliciumdioxide, een belangrijk bestanddeel van zand, maar ook van al onze elektronische technologie. De resultaten gaven aan dat een specifieke vorm van siliciumdioxide, "tridymiet" genaamd, die in de jaren 60 werd beschreven als typisch voor meteorieten, de kenmerken vertoonde van een hybride materiaal tussen kristal en glas, met een thermische geleidbaarheid die onveranderd bleef bij temperatuurveranderingen.

De theoretici sloten zich vervolgens aan bij een team van experimentalisten, die toestemming kregen van het Nationaal Natuurhistorisch Museum in Parijs om experimenten uit te voeren op een monster silica-tridymiet dat was gesneden uit een meteoriet die in 1724 in Steinbach, Duitsland, was neergekomen.

De experimenten bevestigden de voorspellingen: meteoriettridymiet heeft een atomaire structuur die tussen een geordend kristal en een ongeordend glas in ligt, en de thermische geleidbaarheid blijft vrijwel constant over het experimenteel toegankelijke temperatuurbereik van -193,15 °C tot 106,85 °C.

Toepassingen van tridymiet

En we hoeven niet de ruimte in om tridymiet te delven. Het team voorspelt dat dit mineraal zelfs gevormd zou kunnen worden door thermische veroudering van vuurvaste stenen die in staalovens worden gebruikt, hoewel dit proces traag is voor commerciële winning.

Van tridymiet afkomstige materialen kunnen namelijk worden gebruikt om de intense hitte die vrijkomt bij de productie van staal efficiënter te beheersen. Zo kunnen we de CO2-voetafdruk van de staalindustrie verkleinen: 1 kg staal stoot ongeveer 1,3 kg koolstofdioxide uit.

De kwantummechanismen die de warmtestroom door hybride kristalglasmaterialen regelen, kunnen ons ook helpen het gedrag van andere excitaties in vaste stoffen te begrijpen, zoals ladingdragende elektronen en spindragende magnonen in hematiet , het bekendste ijzererts. Onderzoek naar deze onderwerpen geeft vorm aan opkomende technologieën, waaronder thermo-elektrisch aangedreven wearables, neuromorfische computing en spintronische apparaten, die magnetisme gebruiken voor informatieverwerking .

Bovendien vertoont het ongebruikelijke thermische transportgedrag in de kristal-glashybride overeenkomsten met het invareffect bij thermische uitzetting , wat de synthese mogelijk maakt van materialen met een thermische uitzettingscoëfficiënt die naar nul neigt.

Ander nieuws over:

Meer onderwerpen