La conduction thermique des matériaux complexes décryptée
Nouvelles perspectives pour le développement de matériaux innovants aux propriétés thermiques personnalisées
À l'aide de processus d'apprentissage automatique développés en interne, les chercheurs ont pu établir que la conduction de la chaleur est beaucoup plus complexe qu'on ne le pensait. Ces résultats offrent un potentiel pour le développement de matériaux spécifiques.
Des matériaux complexes tels que les semi-conducteurs organiques ou les cadres métallo-organiques microporeux connus sous le nom de MOF sont déjà utilisés pour de nombreuses applications telles que les écrans OLED, les cellules solaires, le stockage du gaz et l'extraction de l'eau. Néanmoins, ils recèlent encore quelques secrets. L'un d'entre eux est la compréhension détaillée de la manière dont ils transportent l'énergie thermique. L'équipe de recherche d'Egbert Zojer de l'Institut de physique des solides de l'Université de technologie de Graz (TU Graz), en collaboration avec des collègues de la TU de Vienne et de l'Université de Cambridge, a maintenant percé ce secret en utilisant l'exemple des semi-conducteurs organiques, ouvrant de nouvelles perspectives pour le développement de matériaux innovants avec des propriétés thermiques personnalisées. L'équipe a publié ses conclusions dans la revue réputée npj Computational Materials.
Peu d'attention accordée au transport de la chaleur jusqu'à présent
"Les scientifiques mènent des recherches sur le transport de charges dans les semi-conducteurs organiques depuis environ 40 ans, mais personne ne s'est jamais vraiment penché sur les mécanismes détaillés relatifs au transport de chaleur", explique Egbert Zojer. "Cependant, les propriétés fondamentales des matériaux sont très intéressantes pour nous et les connaissances que nous avons acquises sur le transport de la chaleur dans les semi-conducteurs organiques sont également directement pertinentes pour de nombreux autres matériaux complexes. Cela s'applique à la fois aux matériaux dans lesquels une faible conductivité thermique est destinée à obtenir un effet thermoélectrique important et aux matériaux destinés à fournir ou à dissiper efficacement l'énergie thermique grâce à une conductivité thermique élevée. Le fait que nous puissions maintenant déterminer et comprendre le transport de la chaleur avec une telle précision est sans précédent".
L'équipe de recherche a réalisé cette percée en utilisant l'apprentissage automatique dans un contexte qui n'est généralement pas au centre des discussions sur les applications de l'intelligence artificielle. Au lieu de rechercher des corrélations dans les observations empiriques, les chercheurs ont cherché des causalités en se basant sur les stratégies qu'ils avaient développées dans le passé pour l'utilisation de potentiels appris par la machine particulièrement efficaces. Ils voulaient savoir comment et pourquoi la chaleur se répartit d'une certaine manière dans un matériau. Les explications précédentes sur le transport de la chaleur supposaient uniquement un transport de phonons sous forme de particules, y compris pour les matériaux cristallins complexes tels que les semi-conducteurs organiques. Dans ce contexte, les phonons sont des paquets d'énergie attribués aux vibrations du réseau, dont le transport est généralement décrit de la même manière que celui des particules de gaz. Toutefois, les nouvelles découvertes montrent qu'un mécanisme supplémentaire joue un rôle décisif : le transport par effet tunnel des phonons.
La longueur des molécules est un facteur décisif
Le transport par effet tunnel repose sur le caractère ondulatoire des vibrations atomiques dans les solides et est particulièrement important dans les matériaux complexes à faible conductivité thermique. Il a été démontré que ce mécanisme de transport devient plus important avec la taille des molécules qui forment un cristal semi-conducteur organique.
On peut imaginer que le transport de la chaleur n'est pas seulement déterminé par les collisions des quanta vibratoires, mais aussi par un "effet tunnel" qui couple deux états vibratoires distincts", explique Lukas Legenstein, auteur de la publication. "Cette découverte explique non seulement pourquoi la conductivité thermique de certains semi-conducteurs organiques dépend d'une température exceptionnellement basse, mais elle permet également de concevoir de manière plus ciblée des matériaux dotés de propriétés thermiques spécifiques. Nous pouvons désormais influencer la conduction thermique en concevant spécifiquement la structure moléculaire". En conséquence, les chercheurs aimeraient appliquer ces nouvelles connaissances aux MOF polyvalents, car le transport de la chaleur joue un rôle crucial dans pratiquement toutes les applications potentielles de cette classe de matériaux - encore plus que pour les semi-conducteurs organiques.
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.
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