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Oct 03, 2023

Trasporto di calore nei materiali energetici: lo studio chiarisce i meccanismi microscopici fondamentali

June 9, 2023 This article

9 giugno 2023

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dalla Società Max Planck

I ricercatori del Laboratorio NOMAD hanno recentemente fatto luce sui meccanismi microscopici fondamentali che possono aiutare a personalizzare i materiali per l’isolamento termico. Questo sviluppo fa avanzare gli sforzi in corso per migliorare l’efficienza energetica e la sostenibilità.

Il ruolo del trasporto del calore è cruciale in varie applicazioni scientifiche e industriali, come la catalisi, le tecnologie delle turbine e i convertitori di calore termoelettrici che convertono il calore di scarto in elettricità.

Soprattutto nel contesto del risparmio energetico e dello sviluppo di tecnologie sostenibili, i materiali con elevate capacità di isolamento termico sono della massima importanza. Questi materiali consentono di trattenere e utilizzare il calore che altrimenti andrebbe sprecato. Pertanto, migliorare la progettazione di materiali altamente isolanti è un obiettivo chiave della ricerca per consentire applicazioni più efficienti dal punto di vista energetico.

Tuttavia, progettare forti isolanti termici è tutt’altro che banale, nonostante il fatto che le leggi fisiche fondamentali sottostanti siano note da quasi un secolo. A livello microscopico, il trasporto di calore nei semiconduttori e negli isolanti era inteso in termini di oscillazione collettiva degli atomi attorno alle loro posizioni di equilibrio nel reticolo cristallino. Queste oscillazioni, chiamate "fononi" nel campo, coinvolgono un numero enorme di atomi nei materiali solidi e quindi coprono scale di lunghezza e tempo ampie, quasi macroscopiche.

In una recente pubblicazione congiunta su Physical Review B e Physical Review Letters, i ricercatori del Laboratorio NOMAD dell’Istituto Fritz Haber hanno avanzato le possibilità computazionali per calcolare la conducibilità termica senza input sperimentali con una precisione senza precedenti. Hanno dimostrato che per forti isolanti termici il quadro fononico sopra menzionato non è appropriato.

Utilizzando calcoli su larga scala sui supercomputer della Max Planck Society, della North-German Supercomputing Alliance e del Jülich Supercomputing Center, hanno scansionato oltre 465 materiali cristallini, per i quali la conduttività termica non era ancora stata misurata. Oltre a trovare 28 potenti isolanti termici, sei dei quali presentano una conduttività termica ultrabassa paragonabile al legno, questo studio ha fatto luce su un meccanismo finora tipicamente supervisionato che consente di abbassare sistematicamente la conduttività termica.

"Abbiamo osservato la formazione temporanea di strutture difettose che influenzano in modo massiccio il movimento atomico per un periodo di tempo estremamente breve", afferma il Dr. Florian Knoop (ora Università di Linköping), primo autore di entrambe le pubblicazioni.

"Tali effetti vengono generalmente trascurati nelle simulazioni di conduttività termica, poiché questi difetti sono così di breve durata e così microscopicamente localizzati rispetto alle tipiche scale di trasporto del calore, che si presume siano irrilevanti. Tuttavia, i calcoli eseguiti hanno mostrato che innescano livelli più bassi conducibilità termiche", aggiunge il Dott. Christian Carbogno, autore senior degli studi.

Queste intuizioni potrebbero offrire nuove opportunità per mettere a punto e progettare isolanti termici su scala nanometrica attraverso l’ingegneria dei difetti, contribuendo potenzialmente ai progressi nella tecnologia ad alta efficienza energetica.

Maggiori informazioni: Florian Knoop et al, Anarmonicità negli isolanti termici: un'analisi dai primi principi, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.236301