Одновременно кристалл и стекло: ученые разгадали секрет вещества метеорита 1724 года

Ученые раскрыли необычные тепловые свойства уникального минерала, который сочетает в себе характеристики противоположных состояний твердого вещества.

Светлана ЛевченкоАвтор новостей

Теплопроводность — одно из важнейших свойств материалов, от которого зависит эффективность охлаждения в электронике, работа тепловых экранов в аэрокосмической отрасли, а также использование энергии в системах утилизации тепла. Теплопроводность зависит от того, является ли материал кристаллическим, то есть с упорядоченной решеткой атомов, или стеклообразным, с неупорядоченной, аморфной структурой, что влияет на то, как распределяется тепло на квантовом уровне. В общих чертах, теплопроводность в кристаллах обычно с повышением температуры уменьшается, тогда как в стеклах при нагревании она увеличивается.

Группа ученых под руководством Микеле Симончелли, доцента прикладной физики и математики Колумбийского университета, теоретически предсказала существование вещества, поведение которого не укладывается в привычные рамки термодинамики. Используя уравнения квантовой механики и методы машинного обучения, ученые смоделировали теплопроводность различных форм диоксида кремния — широко распространенного на Земле вещества. Особый интерес ученых вызвал минерал тридимит, который ранее обнаруживался на Марсе и в составе метеоритов. Расчеты показали: тридимит должен обладать уникальной структурой, которая сочетает в себе признаки как кристалла, так и стекла, а его теплопроводность при этом должна оставаться постоянной в широком диапазоне температур.

Чтобы проверить свои расчеты, ученые провели серию экспериментов с образцом тридимита, выделенного из метеорита, который упавшего в немецком Штейнбахе в 1724 году. Результаты подтвердили прогнозы: структура минерала действительно занимает промежуточное положение между кристаллической и аморфной, а его теплопроводность практически не меняется при температуре от 80 до 380 кельвинов. Этот феномен можно сравнить с известным в физике эффектом инвара — явлением, при котором определенные сплавы практически не расширяются при нагреве.

Более того, дальнейшие исследования показали, что тридимит может формироваться не только в космосе, но и на Земле — в толще огнеупорного кирпича, который используется в доменных печах. Производство стали, один из крупнейших источников углеродных выбросов, требует огромных температур, и применение материалов на основе тридимита может помочь значительно сократить углеродный след отрасли за счет повышения эффективности теплоизоляции.

Помимо промышленности, открытие может найти применение и в передовых технологиях — от носимой электроники, работающей на термоэлектричестве, до нейроморфных чипов и спинтронных устройств, где используются квантовые возбуждения, связанные с передачей не только тепла, но и заряда или спина. Группа Симончелли продолжает работать над созданием универсальных моделей и ИИ-инструментов, способных точно предсказывать поведение новых материалов и открывать пути к их практическому применению.

Ранее ученые создали суперсталь для ядерного синтеза.

• космос

Поделиться