Asegun Henry vuole evitare i peggiori effetti del cambiamento climatico trovando nuove forme di energia rinnovabile e migliorando i materiali che contribuiscono all'uso dell'energia.

"Il modo in cui produciamo elettricità oggi inquina l'ambiente, " disse Enrico, un professore di ingegneria meccanica alla Georgia Tech. "La mia ricerca è principalmente incentrata sulla conversione da un'infrastruttura basata sui combustibili fossili a un'infrastruttura basata su energia rinnovabile o solare in modo che possiamo fare affidamento su forme di energia rinnovabile che non inquinano affatto il mondo.

"Personalmente lo vedo come salvare il mondo."

Ciò che rende l'approccio di Henry ai problemi energetici diverso dagli altri ingegneri è il suo background nella modellazione al computer a livello atomico.

"Capisco diversi processi in termini di ciò che sta accadendo a livello atomico, "Henry ha detto. "Questo mi permette di sviluppare intuizioni e opportunità per nuove idee che sono diverse da altre che provengono dal livello macroscopico".

La sua ricerca è in gran parte interessata a come funziona il trasporto di calore alle scale più piccole.

In ottobre, Henry ha pubblicato i risultati di uno studio sul biossido di silicio amorfo, comunemente noto come vetro, in Rapporti scientifici sulla natura che ha risposto a un antico mistero sul materiale di tutti i giorni:perché la sua conduttività termica aumenta con la temperatura.

Il trasporto di calore nel silicio amorfo è determinato dal comportamento dei fononi nel materiale. I fononi sono simili agli elettroni o ai fotoni, in quanto portano calore, ma invece di derivare da radiazioni elettromagnetiche o particelle subatomiche caricate negativamente, sono associati alle vibrazioni collettive degli atomi.

Gli scienziati possono prevedere con precisione la conduttività termica di molti materiali cristallini utilizzando espressioni basate sul "modello del gas fononico" ampiamente utilizzato. Però, modellare il trasferimento di calore in materiali amorfi, quelli che mancano dell'ordine e della periodicità di un cristallo, è più impegnativo.

"A differenza dei materiali cristallini, dove le vibrazioni diventano movimenti collettivi che agiscono come onde sonore, in materiali amorfi, ottieni diversi tipi di vibrazioni, la maggior parte dei quali sembra casuale, come la struttura sottostante, "Henry spiegò. "Diventi anche piccolo, vibrazioni localizzate che consistono solo di dozzine di atomi."

Si sapeva che esistevano queste piccole vibrazioni, ma nessuno aveva mai valutato quanto contribuissero al trasferimento di calore.

"Il presupposto era che non contribuissero affatto, " disse Henry. "Ma ciò che è stato sorprendente che abbiamo trovato con il nostro nuovo metodo è stato che in questo materiale specifico, le modalità localizzate contribuiscono in modo sostanziale."

Utilizzando il supercomputer Stampede presso il Texas Advanced Computing Center, uno dei più potenti al mondo, Henry ha eseguito simulazioni che hanno catturato il comportamento delle vibrazioni localizzate come mai prima d'ora.

Non solo i risultati corrispondono ai risultati sperimentali, hanno scoperto che le modalità localizzate hanno contribuito per oltre il 10% alla conduttività termica totale e sono in gran parte responsabili dell'aumento della conduttività termica del silicio amorfo al di sopra della temperatura ambiente.

"Questi calcoli che vengono eseguiti sono intrattabili su una singola macchina. Aspetteresti anni per ottenere la risposta, " ha detto. "Per essere in grado di suddividere il problema in centinaia o migliaia di singole parti che funzionano contemporaneamente, e farlo massicciamente in parallelo è completamente abilitante."

La conduttività termica del vetro sembra essere importante per l'efficienza energetica.

"Le percentuali a due cifre di tutto il consumo di energia negli Stati Uniti sono legate al vetro, " disse Henry. "Il posto principale in cui perdi calore è attraverso le finestre."

Non solo:il silicio amorfo viene utilizzato nelle celle solari, e la maggior parte dei polimeri (plastica) come quelli utilizzati nell'elettronica personale, sono composti da materiali amorfi.

I successi di Henry nel catturare le vibrazioni atomiche del vetro furono dovuti allo sviluppo di un nuovo modo di studiare la dinamica dei fononi, con cui aveva creato con Wei Lv, un dottorando nel suo laboratorio, Conosciuto come analisi modale Green-Kubo (GKMA), il nuovo metodo utilizza simulazioni di dinamica molecolare per calcolare in modo più accurato i contributi che i diversi modi di vibrazione apportano alla conduzione del calore.

A dicembre 2016, Henry e Lv hanno pubblicato un'ampia analisi di GKMA rispetto al modello del gas fononico in Rapporti scientifici sulla natura . I loro risultati suggeriscono fortemente che il modello del gas fononico non è applicabile ai solidi amorfi. La ricerca è supportata in parte da un premio alla CARRIERA della National Science Foundation (NSF).

Il metodo GKMA può essere applicato a una vasta gamma di materiali, comprese le leghe, altri solidi amorfi e anche molecole rigide.

Comprendere e modellare accuratamente questi sistemi può portare a migliori, forme più efficienti dal punto di vista energetico dei materiali di uso quotidiano.

"Il progetto di Asegun è un ottimo esempio del tipo di impegno sostenuto da NSF:basic, molto complesso, e tuttavia potenzialmente distruttivo per la pratica ingegneristica, " disse José Lage, Direttore del programma NSF Thermal Transport Processes. "Il suo impegno è in prima linea in una delle nuove aree di ricerca più interessanti nei processi di trasporto termico, e ha già influenzato la nostra comprensione di un fenomeno ingegneristico molto complesso".

In definitiva, Henry spera di utilizzare le conoscenze acquisite per identificare e progettare materiali con proprietà senza precedenti, materiali in grado di trasferire il calore in modo molto più efficiente e potenzialmente anche materiali superconduttori.

"Siamo sul punto di spingere la nostra comunità a ripensare al problema della conduttività termica e sfruttare i comportamenti per ottenere proprietà che in precedenza si pensava fossero impossibili, " Egli ha detto.

Simulazioni sonificanti

Gli scienziati in genere comprendono i dati attraverso grafici e visualizzazioni. Ma è possibile utilizzare il suono per interpretare informazioni complesse?

Henry crede che lo sia, sulla base delle sue esperienze personali acquisendo intuizioni dalle registrazioni delle vibrazioni atomiche. I suoi sforzi sono iniziati quando stava cercando di capire i risultati di una simulazione di una catena polimerica allungata.

"Se guardi i dati, sembra rumore bianco, " disse Henry. "Abbiamo deciso di sonificare i dati, e appena l'abbiamo ascoltato, potevamo sentire lo schema."

Enrico, chi ha un background musicale, dice che questo ha senso, dati i naturali poteri di elaborazione audio del cervello.

"L'orecchio umano è più bravo a riconoscere gli schemi rispetto all'occhio, " disse Henry. "Se interagisci con un organo è meglio, puoi trovare schemi che non sono ovvi."

Da allora, ha suonato le vibrazioni di vari materiali come un modo per esplorare il loro significato.

"Quando ascolti l'oratore, il magnete fa gli stessi movimenti dell'atomo, " Egli ha detto.

Trasformare le proprietà atomiche in suoni può anche essere un modo efficace per interessare gli studenti alla fisica e alla scienza dei materiali. Come parte del suo premio NSF CARRIERA, Henry ha condotto un programma estivo di sensibilizzazione in cui studenti afroamericani e donne, insegnanti di musica delle scuole superiori, e gli studenti delle scuole superiori stanno lavorando per convertire le vibrazioni degli atomi in file sonori.

Genereranno risultati per l'intera tavola periodica e diffonderanno i loro risultati attraverso un'app mobile che ti consente di ascoltare ogni elemento.

Gli individui saranno in grado di utilizzare l'app mobile per creare musica da questi suoni, fornendo un nuovo modo per il pubblico di apprendere e apprezzare la bellezza della chimica.

"L'approccio all'uso della sonificazione è piuttosto generale e potrebbe essere significativo per molte aree, poiché sfrutta una proprietà fondamentale dell'udito umano rispetto alla vista, "Henry ha detto. "Speriamo che la nostra applicazione stimolerà un maggiore utilizzo in tutta la scienza e l'ingegneria."