Гибридный материал из метеорита сохраняет тепло в экстремальных температурах
Метеорит из XVIII века помог ученым найти вещество, которое ведет себя как стекло и кристалл одновременно. Это открытие может изменить подход к тепловой защите спутников, к переработке отходящего тепла и даже к производству стали — самого углеродоемкого материала современной промышленности.
Материалы из кристаллов и стекол по-разному проводят тепло. В кристалле атомы выстроены в строгую решетку, и с ростом температуры теплопроводность падает. В стекле структура хаотична, и тепло проходит лучше при нагревании. Но если атомы выстроены не до конца — получается нечто промежуточное. Именно такой гибридный материал с необычными свойствами команда Микеле Симончелли из Колумбийского университета сначала предсказала теоретически, а затем подтвердила экспериментально.
Оказалось, что образец силикатного минерала из метеорита, упавшего в Германии в 1724 году, проводит тепло одинаково хорошо и при низких, и при высоких температурах. Вещество сохранило частичный порядок кристаллов, но в остальном больше похоже на стекло. В науке такой тип поведения называют термической инвариантностью.
Ключ к открытию лежал в уравнении, которое Симончелли вместе с Николой Марцари из Швейцарской высшей технической школы Лозанны и Франческо Маури из Римского университета Сапиенца вывели еще в 2019 году. Оно позволило описать теплопроводность не только в идеально упорядоченных кристаллах и аморфных стеклах, но и в промежуточных структурах. С его помощью исследователи обратили внимание на одну из форм диоксида кремния — тридимит, который ранее находили в метеоритах и на Марсе. Согласно расчетам, эта разновидность должна обладать свойствами гибридного теплопроводника.
Чтобы проверить гипотезу, ученые обратились к коллегам из Сорбонны — Этьену Балану, Даниэлю Фурнье и Массимилиано Маранголо. Они получили доступ к фрагменту кремниевой породы из метеорита, который хранится в парижском Музее естественной истории. Анализы показали, что структура тридимита действительно не вписывается в строгое определение ни кристалла, ни стекла. Более того, в диапазоне температур от минус 190 до +110 °C теплопроводность материала почти не менялась.
Исследователи предположили, что такие гибридные материалы могут появляться не только в космосе, но и на Земле — например, при длительном нагревании огнеупорных кирпичей в металлургических печах. Сталь остается одним из важнейших конструкционных материалов, но его производство крайне энергоемкое и выбрасывает в атмосферу огромное количество углекислого газа. Если заменить традиционные материалы на более устойчивые к температуре, как тридимит, это поможет снизить расходы на охлаждение и общий углеродный след отрасли.
Чтобы предсказать поведение сложных материалов с высокой точностью, группа Симончелли использовала квантовые уравнения и машинное обучение. Такой подход позволяет моделировать тепловое поведение вещества на уровне атомов, включая перенос не только тепла, но и электрических зарядов или магнитных колебаний. Сейчас лаборатория Симончелли работает в трех направлениях: создание фундаментальных теорий, развитие алгоритмов искусственного интеллекта для точного моделирования и практическое применение этих подходов в инженерных задачах.
Открытие тридимита — пример того, как абстрактная теория и старый метеорит могут указать путь к материалам будущего. Исследование опубликовали в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Самое популярное
