I ricercatori hanno scoperto perché un cristallo perfetto non è bravo a condurre il calore, anche se apparentemente dovrebbe esserlo
Il solido cristallino BaTiS3 (solfuro di bario e titanio) è terribile nel condurre il calore, e si scopre che la colpa è di un atomo di titanio ribelle che esiste in due punti allo stesso tempo.
[the_ad id=”593″]
La scoperta, fatta dai ricercatori del Caltech, USC e dell’Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Dipartimento dell’Energia, è stata pubblicata il 27 novembre sulla rivista Nature Communications. Fornisce una visione fondamentale a livello atomico di una proprietà termica insolita che è stata osservata in diversi materiali. Il lavoro è di particolare interesse per i ricercatori che stanno esplorando il potenziale utilizzo di solidi cristallini con scarsa conduttività termica in applicazioni termoelettriche, in cui il calore viene convertito direttamente in energia elettrica e viceversa.
Questa immagine al microscopio elettronico a scansione (SEM) ad alta risoluzione dei cristalli BaTiS3 è sovrapposta con illustrazioni che mostrano l’orientamento dei singoli atomi nel cristallo. Nonostante la perfezione atomica del cristallo, è inaspettatamente povero nel trasporto di energia termica.Credito: Caltech / USC / ORNL
“Abbiamo scoperto che gli effetti della meccanica quantistica possono svolgere un ruolo enorme nella definizione delle proprietà di trasporto termico dei materiali anche in condizioni familiari come la temperatura ambiente”, afferma Austin Minnich, professore di ingegneria meccanica e fisica applicata al Caltech e co-autore Documento Nature Communications.
[the_ad id=”593″]
I cristalli sono generalmente bravi a condurre il calore. Per definizione, la loro struttura atomica è altamente organizzata, il che consente alle vibrazioni atomiche – il calore – di fluire attraverso di esse come un’onda. Gli occhiali, d’altra parte, sono terribili nel condurre il calore. La loro struttura interna è disordinata e casuale, il che significa che le vibrazioni invece saltano da un atomo all’altro mentre passano.
BaTiS3 appartiene a una classe di materiali chiamati calcogenuri correlati alla perovskite. Jayakanth Ravichandran, assistente professore presso il Dipartimento di ingegneria chimica e scienza dei materiali della famiglia Mork dell’USC Viterbi, e il suo team hanno studiato le loro proprietà ottiche e di recente hanno iniziato a studiare le loro applicazioni termoelettriche.
“Avevamo la sensazione che BaTiS3 avesse una bassa conduttività termica, ma il valore era inaspettatamente basso. Il nostro studio mostra un nuovo meccanismo per ottenere una bassa conduttività termica, quindi la domanda successiva è se gli elettroni nel sistema fluiscono senza soluzione di continuità a differenza del calore per ottenere buone proprietà termoelettriche “, afferma Ravichandran.
[the_ad id=”593”]
Il team ha scoperto che BaTiS3, insieme a molti altri solidi cristallini, possedeva una conduttività termica “simile al vetro”. Non solo la sua conduttività termica è paragonabile a quella dei vetri disordinati, ma in realtà peggiora al diminuire della temperatura, il che è l’opposto della maggior parte dei materiali. In effetti, la sua conducibilità termica a temperature criogeniche è tra le peggiori mai osservate in un solido completamente denso (non poroso).
Il team ha scoperto che l’atomo di titanio in ciascun cristallo BaTiS3 esiste in quello che è noto come potenziale a doppio pozzo, ovvero ci sono due posizioni spaziali nella struttura atomica in cui l’atomo vuole essere. L’atomo di titanio esistente in due punti contemporaneamente dà origine a quello che è noto come “sistema a due livelli”. In questo caso, l’atomo di titanio ha due stati: uno stato fondamentale e uno stato eccitato. Le vibrazioni atomiche che passano vengono assorbite dall’atomo di titanio, che va dal suolo allo stato eccitato, quindi decade rapidamente allo stato fondamentale. L’energia assorbita viene emessa sotto forma di vibrazione e in una direzione casuale.
L’effetto complessivo di questo assorbimento ed emissione di vibrazioni è che l’energia viene dispersa piuttosto che trasferita in modo pulito. Un’analogia sarebbe quella di far brillare una luce attraverso un vetro smerigliato, con gli atomi di titanio come il gelo; le onde in arrivo deflettono dal titanio e solo una parte si fa strada attraverso il materiale.
[the_ad id=”593″]
Si sa da tempo che esistono sistemi a due livelli, ma questa è la prima osservazione diretta di uno che è stato sufficiente per interrompere la conduzione termica in un materiale monocristallino su un intervallo di temperatura esteso, misurato qui tra 50 e 500 Kelvin.
I ricercatori hanno osservato l’effetto bombardando i cristalli di BaTiS3 con neutroni in un processo noto come diffusione anelastica utilizzando la sorgente di neutroni di spallazione presso ORNL. Quando passano attraverso i cristalli, i neutroni guadagnano o perdono energia. Ciò indica che l’energia viene assorbita da un sistema a due livelli in alcuni casi e impartita loro in altri.
“Ci è voluto un vero lavoro investigativo per risolvere questo mistero sulla struttura e la dinamica degli atomi di titanio. All’inizio sembrava che gli atomi fossero solo disordinati posizionalmente, ma la superficialità del pozzo potenziale significava che non potevano rimanere nelle loro posizioni per molto tempo “, afferma Michael Manley, ricercatore senior presso ORNL e co-corrispondente autore di Nature Documento di comunicazione. Fu allora che Raphael Hermann, ricercatore presso ORNL, suggerì di fare calcoli quantistici per il doppio pozzo. “Che gli atomi possano tunnel è ben noto, ovviamente, ma non ci aspettavamo di vederlo a una frequenza così alta con un atomo così grande in un cristallo. Ma la meccanica quantistica è chiara: se la barriera tra i pozzi è abbastanza piccola, allora questo tunneling ad alta frequenza è davvero possibile e dovrebbe provocare una forte dispersione dei fononi e quindi una conduttività termica simile al vetro “, dice Manley.
[the_ad id=”593”]
L’approccio convenzionale alla creazione di solidi cristallini con bassa conduttività termica consiste nel creare molti difetti in quei solidi, il che è dannoso per altre proprietà come la conduttività elettrica. Quindi, un metodo per progettare materiali cristallini a bassa conduttività termica senza alcun danno per le proprietà elettriche e ottiche è altamente desiderabile per le applicazioni termoelettriche. Una piccola manciata di solidi cristallini mostra la stessa scarsa conduttività termica, quindi il team ha in programma di esplorare se questo fenomeno sia da incolpare anche in quei materiali.
L’articolo di Nature Communications è intitolato “Il tunneling atomico ad alta frequenza produce una conduttività termica ultraleggera e simile al vetro nei cristalli singoli di calcogenuro”. I coautori includono Bo Sun, Jaeyun Moon e Nina Shulumba di Caltech; Shanyuan Niu, Boyang Zhao, JoAnna Milam-Guerrero, Ralf Haiges, Brent C. Melot e Matthew Mecklenburg della USC; Raphael P. Hermann, Katharine Page e Barry Winn dell’Oak Ridge National Laboratory; Arashdeep S. Thind e Rohan Mishra della Washington University di St. Louis; Krishnamurthy Mahalingam e Brandon M. Howe dell’Air Force Research Laboratory presso la base aerea di Wright-Patterson; Young-Dahl Jho del Gwangju Institute of Science and Technology in Corea del Sud; e Ahmet Alatas dell’Argonne National Laboratory in Illinois.
Questa ricerca è stata sostenuta dalla Defense Advanced Research Projects Agency, dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, dall’Office of Naval Research, dalla National Science Foundation, dall’Esercito Research Office, dall’Air Force Office of Scientific Research e dalla Link Foundation.
