Secondo un ricercatore della Penn State, una nuova teoria dei fenomeni trasversali potrebbe essere applicata per prevedere se un nuovo materiale sarebbe efficace per l'uso in varie applicazioni, da ultrasuoni medici migliorati a frigoriferi più efficienti.

I fenomeni trasversali sono le risposte di un sistema a stimoli esterni. Si verificano praticamente in qualsiasi sistema, dalle scale quantistiche alle macro. L'esistenza di fenomeni trasversali spiega come uno stimolo esterno guidi il flusso delle parti all'interno di un sistema e come la funzionalità e l'efficacia del sistema dipendano dalla forza motrice e dalla mobilità delle parti che scorrono.

"La maggior parte degli studi sui materiali coinvolge fenomeni incrociati", ha affermato Zi-Kui Liu, Dorothy Pate Enright Professor of Materials Science and Engineering e autrice dello studio pubblicato in Materials Research Letters . "Se imposti un gradiente di temperatura attraverso un materiale termoelettrico, questo genererà elettricità e quindi produrrà energia per l'elettricità come quella utilizzata nei veicoli spaziali della NASA. Mentre se applichi un'elevata corrente elettrica, può causare un calo della temperatura, che potrebbe essere utili per la refrigerazione. Questi sono fenomeni incrociati."

Liu ha osservato che i fenomeni trasversali sono osservabili sia nei sistemi naturali che in quelli guidati dall'uomo. Un esempio di sistema naturale è la Terra stessa, dove il calore del Sole provoca tutti i tipi di fenomeni trasversali, inclusa l'evaporazione dell'acqua e la fotosintesi per la crescita di alberi e colture. Un esempio di fenomeni trasversali in un sistema guidato dall'uomo è il mercato azionario, dove un fattore esterno come una guerra può causare paura, con il risultato che più persone vogliono vendere azioni e abbassare i prezzi delle azioni e, in condizioni estreme, portare l'intero mercato superare il suo limite di stabilità, provocando un incidente.

Secondo Liu, la sua nuova teoria dei fenomeni incrociati va oltre l'approccio scientifico fenomenologico, in cui le osservazioni negli esperimenti sono fatte per descrivere la relazione tra i fenomeni in base a ciò che viene osservato.

"Puoi fare osservazioni fenomenologiche ma anche chiederti perché accade", ha detto Liu. "Comprendiamo la legge fondamentale e diciamo che va bene, quell'osservazione ha senso. Ma puoi anche dire di no, quell'osservazione era superficiale, c'era qualcosa di effettivamente diverso da quello che pensavamo sarebbe accaduto che richiede ulteriori indagini. Con una migliore comprensione e persino nuovo leggi, si può prevedere come gli stimoli influiranno su un dato sistema in futuro".

La nuova teoria coinvolge quella che Liu chiama teoria Zentropy. La zentropia si basa sull'entropia, la parte della seconda legge della termodinamica che esprime la misura del disordine di un sistema che si verifica in un periodo di tempo in cui non c'è energia applicata per mantenere l'ordine. Zentropy considera come l'entropia si verifica su più scale all'interno di un sistema integrando la meccanica quantistica, la meccanica statistica e le misurazioni sperimentali della termodinamica.

"Il nostro lavoro e il lavoro degli altri ha stabilito metodi per prevedere i coefficienti cinetici, ovvero la mobilità, basati sull'energia, cioè la termodinamica", ha detto Liu. "E il presente lavoro sulla nostra nuova teoria dei fenomeni trasversali indica che i fenomeni trasversali sono dovuti alla dipendenza della forza motrice da altre variabili indipendenti oltre alla sua variabile coniugata, cioè le quantità termodinamiche. La mobilità dipende anche da tutte le variabili indipendenti, ma non nei termini dei fenomeni trasversali comunemente definiti. L'approccio fenomenologico non è basato sui fondamenti e quindi non è così rigoroso".

Questa nuova teoria dei fenomeni trasversali può essere utilizzata dai ricercatori per guidare la scoperta sperimentale e fornire una comprensione teorica delle osservazioni sperimentali. Ciò potrebbe consentire ai ricercatori di prevedere i modi migliori per sviluppare nuovi materiali con un comportamento emergente tramite la meccanica quantistica e la meccanica statistica, ha affermato Liu. Il comportamento emergente in un sistema si riferisce a caratteristiche dell'intero che sono maggiori della somma delle sue parti.

Liu ha indicato un esempio basato su un trasduttore a ultrasuoni, la parte portatile di una macchina a ultrasuoni, che viene utilizzata per rilevare il battito cardiaco di un feto nell'utero.

"Il battito cardiaco fa vibrare il trasduttore, quindi genera elettricità tramite materiale ferroelettrico, quindi in realtà 'vedi' l'elettricità sullo schermo come un'immagine del bambino", ha detto Liu. "Questo è un fenomeno incrociato. Una vibrazione meccanica ti darà una tensione, non un classico fenomeno incrociato, è solo una tensione. Ma quando la tensione viene convertita in elettricità, sono fenomeni incrociati. Spesso le immagini a ultrasuoni non sono chiare e piuttosto sfocate, ma se possiamo prevedere come sviluppare materiali migliori per realizzare un trasduttore più sensibile, le immagini avranno una risoluzione molto migliore".

Il prossimo passo in questo studio è ricercare come questa nuova teoria dei fenomeni trasversali possa essere utilizzata come strumento predittivo per consentire una scoperta più efficiente di materiali con comportamenti emergenti tra cui superconduttività, ferroelettricità e ferromagnetismo per applicazioni nella conversione di energia, refrigerazione e sensori . + Esplora ulteriormente

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