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Oct 03, 2023

エネルギー材料における熱輸送：研究により基本的な微視的メカニズムが解明される

9 giugno 2023 Questo articolo

2023 年 6 月 9 日

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マックス・プランク協会著

NOMAD 研究所の研究者らは最近、材料を断熱用に調整するのに役立つ基本的な顕微鏡メカニズムを解明しました。 この開発により、エネルギー効率と持続可能性を向上させるための継続的な取り組みが前進します。

熱輸送の役割は、触媒作用、タービン技術、廃熱を電気に変換する熱電熱変換器など、さまざまな科学および産業用途において重要です。

特に省エネルギーと持続可能な技術の開発の観点からは、高い断熱性能を備えた材料が最も重要です。 これらの材料により、無駄になる熱を保持し、利用することが可能になります。 したがって、高断熱材料の設計を改善することは、よりエネルギー効率の高いアプリケーションを可能にするための重要な研究目標です。

しかし、基礎となる基本的な物理法則が 1 世紀近く前から知られているにもかかわらず、強力な断熱材を設計することは決して簡単ではありません。 顕微鏡レベルでは、半導体および絶縁体における熱輸送は、結晶格子内の平衡位置付近での原子の集団振動という観点から理解されました。 この分野では「フォノン」と呼ばれるこれらの振動には、固体材料内の膨大な数の原子が関与するため、ほぼ巨視的な長さスケールと時間スケールに及びます。

Physical Review B と Physical Review Letters の最近の共同出版物では、フリッツ ハーバー研究所の NOMAD 研究所の研究者らが、実験入力なしで前例のない精度で熱伝導率を計算する計算の可能性を進歩させました。 彼らは、強力な断熱材の場合、上記のフォノン像が適切ではないことを実証しました。

彼らは、マックス プランク協会、北ドイツ スーパーコンピューティング アライアンス、およびユーリッヒ スーパーコンピューティング センターのスーパーコンピューターでの大規模計算を使用して、熱伝導率がまだ測定されていない 465 を超える結晶材料をスキャンしました。 この研究では、28種類の強力な断熱材を発見し、そのうち6種類は木材に匹敵する超低熱伝導率を特徴とすることに加えて、これまで一般的に見られてきた、熱伝導率を系統的に下げることを可能にするメカニズムにも光を当てた。

「極めて短期間に原子の運動に多大な影響を与える欠陥構造の一時的な形成を観察しました」と両論文の筆頭著者であるフロリアン・ヌープ博士（現リンシェーピング大学）は言う。

「こうした影響は、通常、熱伝導率のシミュレーションでは無視されます。なぜなら、これらの欠陥は、一般的な熱輸送スケールに比べて寿命が非常に短く、非常に微視的に局所的であるため、無関係であると想定されているからです。しかし、実行された計算では、それらが熱伝導率の低下を引き起こすことが示されました。熱伝導率です」と研究の上級著者であるクリスチャン・カルボニョ博士は付け加えた。

これらの洞察は、欠陥工学を通じて断熱材をナノスケールレベルで微調整および設計する新たな機会を提供し、エネルギー効率の高い技術の進歩に貢献する可能性があります。

詳しくは： Florian Knoop et al、「断熱材の調和性: 第一原理からの分析」、Physical Review Letters (2023)。 DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.236301

Florian Knoop et al、固体中の熱輸送の Ab initio Green-Kubo シミュレーション: 方法と実装、Physical Review B (2023)。 DOI: 10.1103/PhysRevB.107.224304

雑誌情報:物理的レビュー B 、物理的レビューレター

マックス・プランク協会提供