Hybrydowy materiał pomiędzy kryształem a szkłem
Meteoryty, które od miliardów lat przemierzają przestrzeń kosmiczną, są istną skarbnicą wiedzy. Badający je eksperci twierdzą, że trafili na coś wyjątkowego – minerał o właściwościach, jakich dotąd nie obserwowano w żadnym znanym materiale. Jego zachowanie termiczne przyprawia o zawrót głowy nawet doświadczonych fizyków. Trydymit, bo o nim mowa, to prawdziwy unikat w świecie materiałów. Nie jest ani typowym kryształem, ani zwykłym szkłem, lecz znajduje się gdzieś pomiędzy tymi stanami. Ta hybrydowa natura zdaje się być kluczem do jego niezwykłych właściwości. Jego struktura atomowa plasuje się pomiędzy uporządkowanym układem krystalicznym a chaotyczną budową szkła, co przekłada się na zachowanie, które łamie konwencjonalne reguły fizyki cieplnej.
Czytaj też: Kosmiczna łamigłówka z Ryugu zaskakuje astronomów. Odkryli minerał, który nie miał prawa tam powstać
Co dokładnie czyni go tak wyjątkowym? Podczas gdy większość materiałów zmienia swoje właściwości przewodzenia ciepła wraz ze wzrostem temperatury, trydymit utrzymuje stałe przewodnictwo w szerokim zakresie od -193 do 107 stopni Celsjusza. To tak, jakbyśmy mieli przewód, który niezależnie od warunków zawsze odprowadza ciepło w ten sam sposób. Próbki, które pozwoliły na to odkrycie, pochodzą z meteorytu Steinbach, czyli kosmicznej skały, która spadła na teren Niemiec już w 1724 roku. Co ciekawe, ten sam minerał został zidentyfikowany również na powierzchni Marsa, co sugeruje, że mamy do czynienia z materiałem powstającym w specyficznych, ekstremalnych warunkach kosmicznych.
Rola uczenia maszynowego w odkryciu
Bez nowoczesnych technologii obliczeniowych to przełomowe odkrycie prawdopodobnie nie byłoby możliwe. Michele Simoncelli z Columbia University wraz z międzynarodowym zespołem badawczym wykorzystał zaawansowane algorytmy uczenia maszynowego do przewidzenia właściwości tego niezwykłego minerału. Kluczowym elementem okazało się uwzględnienie zjawiska tunelowania kwantowego fononów, czyli pakietów fal dźwiękowych zdolnych do “przeskakiwania” między różnymi stanami energetycznymi. Zespół zastosował równanie transportu Wignera opracowane w 2019 roku, które po raz pierwszy pozwoliło ujednolicić teorie przewodnictwa cieplnego dla różnych typów materiałów.
Czytaj też: Efekt Schwingera wreszcie zaobserwowany w laboratorium. Kanadyjscy fizycy przechytrzyli naturę
Gdzie mógłby znaleźć zastosowanie materiał o tak stabilnych właściwościach termicznych? Największe nadzieje wiąże się z przemysłem stalowym, gdzie materiały ogniotrwałe bazujące na trydymicie mogłyby znacząco poprawić efektywność energetyczną pieców hutniczych. Biorąc pod uwagę, iż produkcja jednego kilograma stali generuje około 1,3 kg dwutlenku węgla, nawet niewielka poprawa wydajności mogłaby przełożyć się na istotne redukcje emisji. Inne potencjalne obszary zastosowań obejmują elektronikę, gdzie stabilne przewodnictwo cieplne w różnych temperaturach mogłoby rozwiązać problemy z zarządzaniem termiką układów oraz systemy odzysku ciepła odpadowego w elektrowniach i zakładach przemysłowych. W przemyśle lotniczym takie materiały mogłyby posłużyć do tworzenia zaawansowanych osłon termicznych.
Jakie są realne możliwości?
Choć perspektywy wydają się obiecujące, naukowców czeka jeszcze nieco wyzwań. Zacznijmy od tego, że pozyskiwanie trydymitu z meteorytów nie jest praktyczne na skalę przemysłową, więc kluczowe będzie opracowanie metod syntezy tego materiału w warunkach laboratoryjnych. Dodatkowo, koszt produkcji może początkowo stanowić poważną barierę. Mimo tych wyzwań, odkrycie pokazuje, jak zagadkowe potrafią być substancje rozsiane po wszechświecie. Być może odpowiedzi na niektóre z naszych najpilniejszych problemów technologicznych czekają nie na Ziemi, lecz w kosmicznych skałach krążących po Układzie Słonecznym.