Gli scienziati teorici hanno utilizzato la matematica topologica e l'apprendimento automatico per identificare una relazione nascosta tra strutture su scala nanometrica e conduttività termica nel silicio amorfo, una forma vetrosa del materiale senza ordine cristallino ripetuto.

Uno studio che descrive la loro tecnica è apparso nel Journal of Chemical Physics .

I solidi amorfi, come il vetro, l'ossidiana, la cera e la plastica, non hanno una struttura cristallina o ripetitiva a lungo raggio per gli atomi o le molecole di cui sono fatti. Ciò contrasta con i solidi cristallini, come il sale, la maggior parte dei metalli e le rocce. Poiché mancano di un ordine a lungo raggio nella loro struttura, la conduttività termica dei solidi amorfi può essere molto inferiore a quella di un solido cristallino composto dallo stesso materiale.

Tuttavia, può esserci ancora un ordine a medio raggio sulla scala dei nanometri. Questo ordine a medio raggio dovrebbe influenzare la propagazione e la diffusione delle vibrazioni atomiche, che trasportano il calore. Il trasporto di calore nei materiali disordinati è di particolare interesse per i fisici per la sua importanza nelle applicazioni industriali. La forma amorfa del silicio è utilizzata in una vasta gamma di applicazioni nel mondo moderno, dalle celle solari ai sensori di immagine. Per questo motivo, i ricercatori hanno studiato approfonditamente la firma strutturale dell'ordine a medio raggio nel silicio amorfo e come si relaziona alla conduttività termica.

"Per un migliore controllo sulle applicazioni che fanno uso di silicio amorfo, il controllo delle sue proprietà termiche è in cima alla lista dei desideri degli ingegneri", ha affermato Emi Minamitani, l'autore corrispondente dello studio e uno scienziato molecolare teorico presso l'Institute for Molecular Science di Okazaki, Giappone. "Estrarre le caratteristiche strutturali su scala nanometrica in amorfo, compreso l'ordine a medio raggio, è una chiave importante."

Sfortunatamente, i ricercatori hanno faticato a svolgere questo compito perché è difficile determinare le caratteristiche essenziali su nanoscala dei sistemi disordinati utilizzando le tecniche tradizionali.

Negli esperimenti, la presenza di un ordine a medio raggio è stata rilevata fisicamente utilizzando la microscopia elettronica a fluttuazione, che prevede l'analisi statistica della dispersione da volumi su scala nanometrica di un materiale disordinato. A livello teorico, è stato discusso considerando la distribuzione degli angoli diedri (l'angolo tra due piani che si intersecano tra insiemi di atomi) o utilizzando la "statistica dell'anello". Quest'ultimo cerca di comprendere le caratteristiche strutturali dalla connettività degli atomi.

Questo a sua volta attinge al campo della matematica noto come topologia, che indaga le proprietà di un oggetto che non cambiano - o sono "invarianti" - anche quando l'oggetto è costantemente allungato e deformato senza essere rotto (come le forme scritte su una gomma foglio). Concentrarsi su questa invarianza topologica è utile per fornire una descrizione qualitativa, come la tendenza delle proprietà fisiche rispetto alla casualità. Tuttavia, è impegnativo determinare la struttura atomica corrispondente a un ordine a medio raggio e prevederne le proprietà fisiche solo da semplici invarianti topologici.

Quindi i ricercatori si sono orientati su una tecnica emergente chiamata omologia persistente, un tipo di analisi dei dati topologici. L'omologia persistente è stata utilizzata altrove per analizzare strutture complesse che vanno dalle proteine ​​ai solidi amorfi. Il vantaggio di questo metodo è nel rilevare le caratteristiche topologiche in strutture complicate a diverse scale spaziali. Questo è fondamentale perché l'ordine a medio raggio comprende strutture quasi ripetitive a varie scale. Usando questa caratteristica, possiamo estrarre l'ordine a medio raggio nascosto sotto ciò che altrimenti appare come casualità.

I ricercatori hanno costruito modelli computazionali di silicio amorfo in base alla dinamica molecolare classica in cui la temperatura del silicio è stata aumentata al di sopra del punto di fusione e poi gradualmente raffreddata (tempra) a temperatura ambiente. Differenze nelle caratteristiche strutturali sono state introdotte modificando la velocità di raffreddamento.

Quindi, per ciascun modello è stato calcolato il diagramma persistente, che è la visualizzazione bidimensionale dell'omologia persistente. I ricercatori si sono concentrati sul fatto che i diagrammi riflettono le caratteristiche strutturali del silicio amorfo. Pertanto, hanno costruito la rappresentazione numerica, chiamata "descrittori", che potrebbe essere utilizzata nell'apprendimento automatico. Il ricercatore ha scoperto che il diagramma persistente soddisfaceva la creazione di un buon descrittore da utilizzare nella procedura di apprendimento automatico, che a sua volta ha ottenuto previsioni accurate sulla conducibilità termica.

Analizzando ulteriormente i dati di omologia persistente e il modello di apprendimento automatico, i ricercatori hanno illustrato la relazione precedentemente nascosta tra l'ordine a medio raggio nel silicio amorfo e la sua conduttività termica.

Lo studio dovrebbe ora aprire una strada per il controllo delle caratteristiche dei materiali del silicio amorfo e di altri solidi amorfi attraverso la topologia delle loro nanostrutture. + Esplora ulteriormente

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