Os pesquisadores do NCCR MARVEL desenvolveram uma nova teoria microscópica que é capaz de descrever o transporte de calor de maneiras muito gerais, e se aplica igualmente bem a materiais ordenados ou desordenados, como cristais ou vidros, e a qualquer coisa entre os dois. Este não é apenas um primeiro passo significativo - nenhuma equação de transporte foi capaz até agora de levar em conta simultaneamente esses dois regimes - ele também mostra, surpreendentemente, que o calor pode tunelar mecanicamente quântico, em vez de se difundir como uma vibração atômica. A nova equação também permite a previsão precisa do desempenho de materiais termelétricos pela primeira vez. Com ultralow, como vidro, condutividade térmica, tais materiais são muito procurados na pesquisa de energia. Eles podem transformar calor em eletricidade, ou usar eletricidade para resfriamento sem a necessidade de bombas e gases prejudiciais ao meio ambiente.

Cristais e vidros conduzem o calor de maneiras fundamentalmente diferentes. O arranjo regular dos átomos em um cristal significa que o calor é conduzido pela propagação de ondas vibracionais - isso é o que acontece, por exemplo, em um chip de silício em um computador.

Em copos, que estão desordenados na escala atômica, o calor é transferido muito mais lentamente por um salto aleatório de vibrações. Em 1929, o físico Rudolf Peierls lançou as bases para descrever a transferência de calor, aplicando aos cristais a ainda recente teoria de transporte de Boltzmann, e derivar a célebre equação de transporte para fônons - desde então tem sido o robusto das teorias microscópicas de transferência de calor.

Depois de muitas décadas, e apoiado pelo campo de rápido desenvolvimento de simulações de dinâmica molecular, Philip Allen e Joseph Feldman seguiram em 1989 com uma equação aplicável aos óculos. Agora, Os cientistas da MARVEL descobriram como derivar uma formulação mais geral que descreve igualmente bem ambas as classes de materiais, bem como todo o resto.

No artigo "Teoria unificada do transporte térmico em cristais e vidros, "agora fora em Física da Natureza , EPFL Ph.D. estudante Michele Simoncelli, junto com Nicola Marzari, diretor da NCCR MARVEL, e um professor do Instituto de Materiais, e o colega Francesco Mauri da Universidade de Roma La Sapienza, derivar de uma teoria geral para sistemas quânticos dissipativos a equação microscópica que leva em consideração as características de transferência de calor, tanto de partícula quanto de onda.

Acontece que Peierls descartou um componente-chave na propagação de calor, onde as excitações vibracionais podem criar um túnel, quântico, de um estado para outro. Embora essas contribuições de tunelamento sejam insignificantes em cristais perfeitos, eles se tornam mais relevantes à medida que um sistema se torna desordenado, e em um copo, eles dão origem ao formalismo de Allen-Feldman. Mas a nova equação é muito mais geral e pode ser aplicada com igual precisão a qualquer material, englobando o surgimento e a coexistência de todas as excitações vibracionais conhecidas. Criticamente, esta nova teoria de condução de calor cobre materiais que são semelhantes ao cristal e ao vidro - estes têm grande importância tecnológica, porque podem ser termelétricas muito boas, isso é, materiais que podem converter calor em eletricidade, ou eletricidade em resfriamento.

Os materiais termoelétricos são importantes nas aplicações de energia porque geram eletricidade a partir do calor disponível, como o proveniente de processos industriais, motores de carros e caminhões, ou do sol. Ter materiais termoelétricos mais eficientes (cerca de três vezes o padrão atual) mudaria completamente todas as nossas tecnologias de refrigeração e ar condicionado porque os materiais termoelétricos podem ser usados ​​ao contrário e explorar eletricidade para resfriar em vez de produzir eletricidade a partir do calor. Notavelmente, Albert Einstein trabalhou em geladeiras por oito anos, de 1926 a 1934, e no auge de seus poderes intelectuais, junto com seu aluno Leó Szilárd, ele patenteou uma geladeira sem peças móveis, como aconteceria em uma geladeira termoelétrica.

Criando tais dispositivos, Contudo, requer uma compreensão completa de como e em que medida o calor conduz. E até agora, teoria e modelagem tiveram sucesso limitado. Uma boa termelétrica precisa ser um condutor elétrico, e, portanto, bastante cristalino, mas também um isolante térmico, e, portanto, bastante vítreo - ele precisa ser capaz de transportar e condensar cargas positivas e negativas em dois lados diferentes de um dispositivo, criando um potencial elétrico. Tentar tratar termoelétricas como cristais ou vidros em termos das equações de transporte de calor disponíveis até agora resultaria em erros muito grandes e, portanto, tem sido muito difícil prever sua eficiência.

O novo entendimento descrito no artigo e estimativas mais precisas de condutividade térmica, junto com dados sobre a condutividade elétrica, permitirá aos cientistas calcular a "figura do mérito" das termelétricas, e fornecer uma estimativa de sua eficiência. Armado com esta informação importante, os pesquisadores serão capazes de rastrear materiais potenciais primeiro com técnicas computacionais, acelerando o caminho de desenvolvimento para essas novas tecnologias.