当所有细节都很重要时能源材料中的热传输

NOMAD 实验室的研究人员最近阐明了提供定制隔热材料的基本微观机制。这一发展推动了为提高能源效率和可持续性所做的持续努力。

热传输的作用在各种科学和工业应用中至关重要，例如催化、涡轮技术和将废热转化为电能的热电热转换器。特别是在节能和可持续技术发展的背景下，具有高隔热能力的材料至关重要。这些材料可以保留和利用否则会浪费掉的热量。因此，改进高绝缘材料的设计是实现更节能应用的关键研究目标。

然而，尽管基本的基本物理定律已为人所知近一个世纪，但设计强热绝缘体绝非易事。在微观层面上，半导体和绝缘体中的热传输被理解为原子围绕其在晶格中的平衡位置的集体振荡。这些振荡在该领域被称为“声子”，涉及固体材料中的无数原子，因此涵盖了大的、几乎是宏观的长度和时间尺度。

在Physical Review B(编辑建议)和Physical Review Letters最近的联合出版物中，Fritz Haber 研究所 NOMAD 实验室的研究人员提高了计算可能性，无需实验输入即可以前所未有的精度计算热导率。他们证明，对于强热绝缘体，上述声子图是不合适的。他们使用马普学会、北德超级计算联盟和 Jülich 超级计算中心的超级计算机进行大规模计算，扫描了超过 465 种尚未测量导热系数的晶体材料。除了找到 28 种坚固的热绝缘体(其中 6 种具有可与木材相媲美的超低热导率)之外，这项研究还揭示了迄今为止通常被监督的机制，该机制允许系统地降低热导率。“我们观察到缺陷结构的临时形成，这些缺陷结构会在极短的时间内对原子运动产生巨大影响”，两篇出版物的第一作者 Florian Knoop 博士(现为林雪平大学)说。“这种影响在热导率模拟中通常被忽略，因为与典型的热传输尺度相比，这些缺陷存在时间如此短且在微观上如此局限，以至于它们被认为是无关紧要的。然而，进行的计算表明它们会引发较低的热导率”，该研究的资深作者克里斯蒂安·卡博尼奥博士补充道。

这些见解可能为通过缺陷工程在纳米级微调和设计热绝缘体提供新的机会，可能有助于节能技术的进步。

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