Ricerca, nuova teoria sul trasporto di calore in vetri e cristalli

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Roma, 26 ago. (askanews) - La Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati di Trieste e l'Università della California-Davis hanno elaborato un nuovo approccio per lo studio e la simulazione numerica del trasporto di calore nei solidi non metallici, come cristalli, vetri, ceramiche e leghe, che apre la strada ad applicazioni nel settore energetico e nelle scienze planetarie.

La ricerca, pubblicata su Nature Communications, consente la simulazione delle proprietà termiche di un'ampia classe di materiali fondamentali per le scienze planetarie e per lo sviluppo di tecnologie d'impiego nel settore energetico, con applicazioni - evidenzia la Sissa - che vanno dai processi di conversione e stoccaggio dell'energia allo sviluppo di dissipatori e schermi di calore.

Il trasporto di calore è uno dei capitoli più sfuggenti della scienza dei materiali. Di fatto, fino ad oggi - spiega Sissa - non esisteva un approccio comune per trattare cristalli e solidi (parzialmente) disordinati e questo ha reso impossibile a generazioni di scienziati simulare con la stessa precisione materiali diversi, o stati diversi di uno stesso materiale, presenti in uno stesso sistema fisico o in uno stesso dispositivo.

Questo ostacolo è stato finalmente superato grazie al lavoro di un gruppo di ricercatori della SISSA e di UC Davis, guidato da Stefano Baroni e Davide Donadio nell'ambito del Centro Europeo MAX (Materials design at the Exascale), che ha sviluppato un nuovo metodo basato sulla teoria della linearità di risposta di Green-Kubo e i concetti di dinamica reticolare, unendo in modo originale i diversi approcci fin qui utilizzati nello studio dei cristalli e dei vetri. La nuova metodologia tiene anche conto in modo semplice e naturale degli effetti quantistici, permettendo così la simulazione della trasmissione di calore in materiali complessi e disordinati anche a basse temperature, cosa fino ad oggi impossibile con le tecniche a disposizione.

Questo risultato consentirà a ricercatori e ingegneri di studiare e progettare il trasporto di calore in materiali e dispositivi molto diversi. Una bassa conduttività termica è ad esempio essenziale per la realizzazione di efficienti dispositivi termoelettrici di raffreddamento o di raccolta di energia o di barriere e rivestimenti per l'isolamento e lo schermo termico. Viceversa un'alta conduttività è fondamentale per la gestione del calore nei dispositivi elettronici ad alta potenza, nelle batterie e nel fotovoltaico. Tutti i materiali utilizzati in questi contesti sono strutturati alla scala nanometrica e possono essere policristallini, altamente difettosi o addirittura vetrosi: finalmente potranno essere studiati con precisione, con un metodo unico ed utilizzabile in pratica nella simulazione numerica.