Decifrata la conduzione termica di materiali complessi

Materiali complessi come i semiconduttori organici o i cristalli microporosi noti come MOF sono già utilizzati per numerose applicazioni come i display OLED, le celle solari, lo stoccaggio del gas e l'estrazione dell'acqua. Tuttavia, nascondono ancora qualche segreto. Uno di questi è il modo in cui il trasporto di calore avviene al loro interno in modo dettagliato. Il gruppo di ricerca di Egbert Zojer dell'Istituto di Fisica dello Stato Solido della TU Graz, in collaborazione con i colleghi della TU Wien e dell'Università di Cambridge, ha ora risolto questo mistero utilizzando l'esempio dei semiconduttori organici, aprendo nuove prospettive per lo sviluppo di materiali innovativi con proprietà termiche personalizzate. Il team ha pubblicato i suoi risultati sulla prestigiosa rivista npj Computational Materials.

Il trasporto del calore è stato precedentemente trascurato

"Gli scienziati hanno studiato il trasporto di cariche elettriche nei semiconduttori organici per circa 40 anni, ma nessuno ha mai esaminato in dettaglio i meccanismi relativi al trasporto di calore", spiega Egbert Zojer. "Tuttavia, le proprietà fondamentali dei materiali sono molto interessanti per noi e le intuizioni che abbiamo acquisito sul trasporto di calore nei semiconduttori organici sono direttamente rilevanti anche per molti altri materiali complessi. Questo vale sia per i materiali in cui la bassa conducibilità termica è destinata a ottenere un grande effetto termoelettrico, sia per i materiali destinati a fornire o dissipare in modo efficiente l'energia termica attraverso un'elevata conducibilità termica. Il fatto che ora possiamo determinare e comprendere il trasporto di calore in modo così preciso è unico".

Il team di ricerca ha ottenuto questo risultato utilizzando l'apprendimento automatico in un contesto piuttosto insolito. Invece di cercare correlazioni nelle osservazioni empiriche come di consueto, i ricercatori hanno cercato le causalità basandosi sulle strategie sviluppate in passato per utilizzare potenziali di apprendimento automatico particolarmente efficienti. Volevano capire come e perché il calore si distribuisce in un certo modo all'interno di un materiale. Le precedenti spiegazioni del trasporto di calore, anche per materiali cristallini complessi, si basavano su un trasporto particellare di fononi. Questi ultimi sono pacchetti di energia assegnati alle vibrazioni del reticolo, il cui trasporto è tipicamente descritto in termini di trasporto di atomi di gas. Tuttavia, le nuove scoperte mostrano che un ulteriore meccanismo gioca un ruolo decisivo: il trasporto tunnellizzato dei fononi.

La lunghezza molecolare come fattore decisivo

Il trasporto a tunnel si basa sul carattere ondulatorio delle vibrazioni atomiche nei solidi ed è particolarmente importante nei materiali complessi con bassa conducibilità termica. È stato dimostrato che questo meccanismo di trasporto diventa più importante con la dimensione delle molecole che formano un cristallo di semiconduttore organico.

"Si può immaginare che il trasporto di calore non sia determinato solo dalle collisioni dei quanti vibrazionali, ma anche da un "effetto tunnel" che accoppia due stati vibrazionali separati tra loro", spiega Lukas Legenstein, coautore della pubblicazione. "Questa scoperta non solo spiega perché alcuni semiconduttori organici presentano una dipendenza dalla temperatura insolitamente bassa della loro conducibilità termica, ma consente anche una progettazione più mirata di materiali con proprietà termiche specifiche. Ora possiamo influenzare la conduzione del calore progettando in modo specifico la struttura molecolare". Successivamente, i ricercatori vorrebbero applicare queste nuove conoscenze ai versatili MOF, poiché il trasporto di calore gioca un ruolo ancora più importante in praticamente tutte le potenziali applicazioni di questa classe di materiali rispetto ai semiconduttori organici.