Quand tous les détails comptent - Transport de chaleur dans les matériaux énergétiques
Cette découverte pourrait contribuer à la mise au point de technologies plus efficaces sur le plan énergétique en permettant d'adapter les isolants thermiques à l'échelle nanométrique grâce à l'ingénierie des défauts.
Des chercheurs du laboratoire NOMAD de l'Institut Fritz Haber de la Société Max Planck ont fait la lumière sur les mécanismes microscopiques qui déterminent la conduction thermique dans les isolants thermiques. Grâce à leurs recherches informatiques, ils ont démontré que même des structures défectueuses de courte durée et localisées au niveau microscopique ont un impact substantiel sur les processus de transport macroscopiques. Cette découverte pourrait contribuer à la mise au point de technologies plus efficaces sur le plan énergétique en permettant d'adapter les isolants thermiques à l'échelle nanométrique grâce à l'ingénierie des défauts.
Formation temporaire d'une paire de défauts dans l'iodure de cuivre. Bien que ces défauts ne survivent que quelques picosecondes, c'est-à-dire un trillionième de seconde, ils influencent considérablement les processus macroscopiques de transport de la chaleur.
© Florian Knoop, NOMAD Laboratory
Les chercheurs du laboratoire NOMAD ont récemment élucidé les mécanismes microscopiques fondamentaux qui permettent d'adapter les matériaux à l'isolation thermique. Ce développement fait progresser les efforts en cours pour améliorer l'efficacité énergétique et la durabilité.
Le rôle du transport de la chaleur est crucial dans diverses applications scientifiques et industrielles, telles que la catalyse, les technologies des turbines et les convertisseurs de chaleur thermoélectriques qui transforment la chaleur perdue en électricité. Dans le contexte de la conservation de l'énergie et du développement de technologies durables, les matériaux à forte capacité d'isolation thermique sont d'une importance capitale. Ces matériaux permettent de retenir et d'utiliser la chaleur qui serait autrement perdue. Par conséquent, l'amélioration de la conception des matériaux hautement isolants est un objectif de recherche essentiel pour permettre des applications plus efficaces sur le plan énergétique.
Cependant, la conception de matériaux fortement isolants est loin d'être triviale, bien que les lois physiques fondamentales sous-jacentes soient connues depuis près d'un siècle. Au niveau microscopique, le transport de la chaleur dans les semi-conducteurs et les isolants a été compris en termes d'oscillation collective des atomes autour de leurs positions d'équilibre dans le réseau cristallin. Ces oscillations, appelées "phonons" dans le domaine, impliquent des zillions d'atomes dans les matériaux solides et couvrent donc de grandes échelles de longueur et de temps, presque macroscopiques.
Dans une récente publication conjointe dans Physical Review B (Editors Suggestions) et Physical Review Letters, des chercheurs du laboratoire NOMAD de l'Institut Fritz Haber ont fait progresser les possibilités de calcul des conductivités thermiques sans apport expérimental avec une précision sans précédent. Ils ont démontré que pour les isolants thermiques solides, l'image des phonons mentionnée ci-dessus n'est pas appropriée. En utilisant des calculs à grande échelle sur des superordinateurs de la Société Max Planck, de l'Alliance nord-allemande de supercalculateurs et du Centre de supercalculateurs de Jülich, ils ont analysé 465 matériaux cristallins dont la conductivité thermique n'avait pas encore été mesurée. Outre la découverte de 28 isolants thermiques puissants, dont six présentant une conductivité thermique ultra-faible comparable à celle du bois, cette étude a mis en lumière un mécanisme jusqu'ici typiquement négligé qui permet d'abaisser systématiquement la conductivité thermique. "Nous avons observé la formation temporaire de structures défectueuses qui influencent massivement le mouvement des atomes pendant une période extrêmement courte", explique le Dr Florian Knoop (aujourd'hui à l'université de Linköping), premier auteur des deux publications. "Ces effets sont généralement négligés dans les simulations de conductivité thermique, car ces défauts sont si éphémères et si localisés au niveau microscopique par rapport aux échelles typiques de transport de la chaleur, qu'ils sont supposés ne pas avoir d'importance. Cependant, les calculs effectués ont montré qu'ils déclenchent des conductivités thermiques plus faibles", ajoute le Dr Christian Carbogno, l'un des principaux auteurs de l'étude.
Ces connaissances pourraient offrir de nouvelles possibilités d'affiner et de concevoir des isolants thermiques à l'échelle nanométrique grâce à l'ingénierie des défauts, ce qui pourrait contribuer à des avancées dans le domaine des technologies à haut rendement énergétique.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Florian Knoop, Thomas A. R. Purcell, Matthias Scheffler, and Christian Carbogno; Anharmonicity in Thermal Insulators: An Analysis from First Principles; Phys. Rev. Lett. 130, 236301 – Published 7 June 2023
Florian Knoop, Matthias Scheffler, and Christian Carbogno; Ab initio Green-Kubo simulations of heat transport in solids: Method and implementation; Phys. Rev. B 107, 224304 – Published 7 June 2023
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