Una scoperta degli scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia supporta una teoria secolare di Albert Einstein che spiega come il calore si muova attraverso qualsiasi cosa, dalle tazze da viaggio alle parti del motore.

Il trasferimento di calore è fondamentale per tutti i materiali. Questa nuova ricerca, pubblicato sulla rivista Scienza , isolanti termici esplorati, che sono materiali che bloccano la trasmissione del calore.

"Abbiamo visto le prove di ciò che Einstein propose per la prima volta nel 1911:che l'energia termica salta casualmente da un atomo all'altro negli isolanti termici, "ha detto Lucas Lindsay, teorico dei materiali presso ORNL. "Il salto è in aggiunta al normale flusso di calore attraverso la vibrazione collettiva degli atomi".

Il salto di energia casuale non è evidente nei materiali che conducono bene il calore, come il rame sul fondo delle pentole durante la cottura, ma può essere rilevabile in solidi che sono meno in grado di trasmettere calore.

Questa osservazione migliora la comprensione della conduzione del calore negli isolanti termici e aiuterà la scoperta di nuovi materiali per applicazioni dai termoelettrici che recuperano il calore disperso ai rivestimenti barriera che impediscono la trasmissione del calore.

Lindsay e i suoi colleghi hanno utilizzato sofisticati strumenti di rilevamento delle vibrazioni per rilevare il movimento di atomi e supercomputer per simulare il viaggio del calore attraverso un semplice cristallo a base di tallio. La loro analisi ha rivelato che le vibrazioni atomiche nel reticolo cristallino erano troppo lente per trasmettere molto calore.

"Le nostre previsioni erano due volte inferiori a quelle che abbiamo osservato dai nostri esperimenti. Inizialmente eravamo sconcertati, "Ha detto Lindsay. "Questo ha portato all'osservazione che un altro meccanismo di trasferimento del calore deve essere in gioco".

Sapere che esiste il secondo canale di trasferimento di calore del salto di energia casuale informerà i ricercatori su come scegliere i materiali per le applicazioni di gestione del calore. Questa constatazione, se applicato, potrebbe ridurre drasticamente i costi energetici, emissioni di carbonio e calore di scarto.

Molti materiali utili, come il silicio, hanno un reticolo di atomi legato chimicamente. Il calore viene solitamente trasportato attraverso questo reticolo da vibrazioni atomiche, o onde sonore. Queste onde di calore si scontrano l'una con l'altra, che rallenta il trasferimento di calore.

"Il materiale a base di tallio che abbiamo studiato ha una delle conduttività termiche più basse di qualsiasi cristallo, "Ha detto Lindsay. "Gran parte dell'energia vibrante è confinata ai singoli atomi, e l'energia poi salta casualmente attraverso il cristallo."

"Sia le onde sonore che il meccanismo del salto di calore teorizzato per la prima volta da Einstein caratterizzano un modello a due canali, e non solo in questo materiale, ma in molti altri materiali che dimostrano anche una conduttività ultrabassa, ", ha affermato lo scienziato dei materiali dell'ORNL David Parker.

Per adesso, il salto di calore può essere rilevabile solo in ottimi isolanti termici. "Però, questo canale di salto termico potrebbe essere presente in altri solidi cristallini, creando una nuova leva per la gestione del calore, " Egli ha detto.

Il coautore principale dello studio era Saikat Mukhopadhyay, un ex ricercatore post-dottorato presso l'ORNL e attualmente ricercatore associato del National Research Council presso il Naval Research Laboratory degli Stati Uniti.

Ulteriori coautori del documento intitolato, "Modello a due canali per conducibilità termica ultrabassa di Tl3VSe4 cristallino, " includeva David S. Parker di ORNL, Brian C. Vendite, Alexander A. Puretzky, Michael A. McGuire e Lucas Lindsay.