Americkí fyzici objavili v meteorite z roku 1724 unikátny materiál, ktorý spája vlastnosti kryštálu a skla a zároveň odoláva vysokým teplotám bez zmeny tepelnej vodivosti. Objav potvrdil tím z Inžinierskej fakulty Kolumbijskej univerzity v USA a týka sa formy oxidu kremičitého známej ako tridymit. Ide o minerál, ktorý bol pôvodne objavený v meteoritoch a neskôr aj na povrchu Marsu.

Vedci predpovedali a následne experimentálne potvrdili, že tridymit má výnimočnú vlastnosť a jeho tepelná vodivosť ostáva stabilná naprieč širokým rozsahom teplôt. Zatiaľ čo bežné kryštály vedú teplo horšie pri vyšších teplotách a sklo naopak lepšie, tridymit si drží konštantnú úroveň bez ohľadu na podmienky. V praxi je takýto materiál výnimočne cenný pri výrobe technológií, kde je presné riadenie tepla kľúčové. Zistenia boli publikované v odbornom časopise Proceedings of the National Academy of Sciences.

Nový prístup k teplu v materiáloch

Profesor Michele Simoncelli a jeho tím sa už roky venujú výskumu, ako atómová štruktúra ovplyvňuje schopnosť materiálu viesť teplo. Na prekonanie výpočtových obmedzení využívajú strojové učenie, vďaka čomu dokážu presne simulovať správanie atómov. V roku 2019 vytvorili jednotnú rovnicu, ktorá opisuje prenos tepla v kryštalických aj amorfných materiáloch. Riešenie umožňuje analyzovať aj správanie tzv. defektných alebo čiastočne neusporiadaných štruktúr, ktoré sa využívajú napríklad pri výrobe termoelektrických článkov, solárnych panelov či ochranných tepelných vrstiev.

Na základe tejto rovnice tím predpokladal, že tridymit sa bude správať ako hybrid medzi kryštálom a sklom. Namiesto tradičného poklesu alebo nárastu tepelnej vodivosti podľa teploty mala zostať stabilná. Aby túto predpoveď overili, spojili sa s výskumníkmi zo Sorbonskej univerzity v Paríži. Experimentálne tímy pod vedením Etienna Balana, Daniela Fourniera a Massimiliana Marangola analyzovali vzorku tridymitu z meteoritu, ktorý dopadol pri nemeckom meste Steinbach v roku 1724.

Výsledky potvrdili hypotézu. Meteorický tridymit má atómovú štruktúru, ktorá je medzistupňom medzi sklom a kryštálom. Jeho tepelná vodivosť ostáva prakticky nezmenená v rozsahu od -193 po 107 °C.

Potenciál v priemysle a výskume planét

Výskumníci predpokladajú, že tridymit by sa mohol vytvárať aj v žiaruvzdorných tehlách používaných v oceliarňach po dlhodobom pôsobení vysokých teplôt. Ak by sa táto vlastnosť využila, mohlo by to výrazne znížiť energetickú náročnosť a uhlíkovú stopu pri výrobe ocele, ktorá patrí medzi najnáročnejšie priemyselné procesy na svete.

Tridymit sa nachádza aj na Marse, čo otvára možnosti pre výskum tepelnej histórie planét. Zároveň pochopenie správania hybridných materiálov tohto typu môže pomôcť lepšie pochopiť aj ďalšie fyzikálne javy, ako je pohyb elektrónov či magnetických excitácií zvaných magnóny.

Do budúcnosti sa očakáva, že podobné materiály nájdu uplatnenie v rôznych oblastiach, od nositeľnej elektroniky cez výkonné počítačové systémy až po nové chladiace technológie v umelej inteligencii.

Čítajte viac z kategórie: Novinky