Uma equipe de pesquisa da Universidade de Tohoku descobriu que diferentes condutividades térmicas exibidas por um material amorfo com a mesma composição são atribuíveis aos tamanhos dos anéis atômicos em sua estrutura atômica. Este é um dos primeiros estudos que demonstram que as características estruturais dos materiais amorfos podem ser correlacionadas com as suas propriedades físicas.



O artigo foi publicado no International Journal of Heat and Mass Transfer .

Já é viável sintetizar materiais amorfos com as mesmas composições, mas com diferentes condutividades térmicas. No entanto, os factores estruturais responsáveis ​​pelas diferenças na condutividade térmica ainda não tinham sido identificados devido à falta de métodos analíticos apropriados.

Foi impossível identificar diferenças estruturais entre materiais de germânio amorfo (Ge) com diferentes condutividades térmicas com base apenas na observação de microscópio eletrônico de transmissão (TEM) de alta resolução. A equipe de pesquisa analisou imagens TEM de material Ge amorfo usando técnicas de ciência de dados – análise de dados topológicos e análise de componentes principais – e identificou diferenças estruturais entre os materiais.

A equipe descobriu que as estruturas atômicas de amostras de filmes finos depositadas em temperaturas mais baixas tendiam a ser dominadas por anéis atômicos menores (Ge25), enquanto as amostras depositadas em temperaturas mais altas continham proporções mais altas de anéis atômicos maiores (Ge300).

Foi demonstrado que anéis atômicos maiores estão teoricamente associados a maior condutividade térmica. Este estudo descobriu que o Ge300 tinha maior condutividade térmica do que o Ge25 – resultados consistentes com as evidências teóricas.

As técnicas de ciência de dados desenvolvidas neste projeto de pesquisa podem ser usadas para identificar fases metaestáveis ​​em materiais – uma tarefa impossível de ser alcançada usando técnicas convencionais de análise estrutural. Espera-se, portanto, que estas técnicas sejam úteis no desenvolvimento de materiais de controle térmico integrados em fase metaestáveis. Eles também podem ser úteis na identificação de características estruturais associadas às propriedades mecânicas, elétricas e outras propriedades de materiais amorfos, além de suas propriedades térmicas.

Esta pesquisa foi realizada por uma equipe de pesquisa composta por Yibin Xu (Líder, Grupo de Materiais Inorgânicos Orientados por Dados, Centro de Pesquisa Básica em Materiais, NIMS) e Kazuto Akagi (Professor Associado, Instituto Avançado de Pesquisa de Materiais, Universidade de Tohoku). Este trabalho foi conduzido como parte de um projeto JST CREST Explorando Materiais Desconhecidos (supervisor de pesquisa:Professor Hiroshi Kitagawa).

Mais informações: Yen-Ju Wu et al, Análise de dados topológicos de características estruturais baseadas em TEM que afetam a condutividade térmica de Ge amorfo, International Journal of Heat and Mass Transfer (2023). DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.125012
Fornecido pelo Instituto Nacional de Ciência de Materiais