Zespół badawczy z Uniwersytetu w Aarhus dokonał niezwykłego odkrycia w dziedzinie materiałoznawstwa. Ich uwagę przykuł krystaliczny związek, który pod względem przewodzenia ciepła zachowuje się zupełnie inaczej niż wszystkie znane materiały o uporządkowanej strukturze atomowej.
Materiał oznaczony jako AgGaGe3Se8 osiągnął zaskakująco niską przewodność cieplną na poziomie zaledwie 0,2 W/(m·K). Dla porównania wartość ta jest trzykrotnie niższa niż w przypadku wody i pięciokrotnie niższa od zwykłego szkła. To rekordowy wynik wśród wszystkich znanych związków krystalicznych.
Paradoks krystalicznej struktury
Najciekawsze w tym odkryciu jest to, że materiał pomimo swojej uporządkowanej struktury krystalicznej przejawia właściwości typowe dla szkła. To dość niecodzienne zjawisko utrzymuje się w niezwykle szerokim zakresie temperatur – od ekstremalnie niskich -271°C aż do 400°C.
Czytaj także: Rewolucja już puka do drzwi. Wszystko dzięki nowemu materiałowi kwantowemu
Klucz do zrozumienia tego paradoksu leży w zachowaniu atomów srebra. W przeciwieństwie do typowych struktur krystalicznych, atomy te nie są sztywno unieruchomione w sieci, lecz poruszają się w sposób chaotyczny, pozostając luźno związane z resztą struktury. To właśnie ten wewnętrzny nieporządek skutecznie blokuje propagację fononów, czyli wibracji odpowiedzialnych za transport ciepła w ciałach stałych.
Badacze potwierdzili swoje obserwacje dzięki zaawansowanym pomiarom przeprowadzonym w japońskim synchrotronie Spring-8. Opublikowane właśnie wyniki badań wskazują, że atomy srebra wykazują parametry przemieszczeń atomowych nawet pięciokrotnie większe niż pozostałe elementy struktury.
Praktyczne perspektywy i ograniczenia
Materiały o ultraniskiej przewodności cieplnej otwierają nowe możliwości w kilku obszarach technologicznych. Najbardziej obiecujące zastosowania obejmują moduły termoelektryczne przekształcające ciepło odpadowe w energię elektryczną oraz bariery termiczne w mikroelektronice.
W przemyśle lotniczym takie materiały mogłyby służyć jako izolatory w środowiskach wysokotemperaturowych, gdzie tradycyjne rozwiązania często zawodzą. Energetyka również mogłaby skorzystać z lepszych materiałów termoelektrycznych do odzyskiwania energii z procesów przemysłowych.
Niestety, AgGaGe3Se8 w obecnej formie ma poważne ograniczenia praktyczne. Materiał nie przewodzi dobrze prądu elektrycznego, a zawartość germanu – rzadkiego i drogiego pierwiastka – czyni go ekonomicznie nieopłacalnym do masowej produkcji. To dość typowa sytuacja w materiałoznawstwie, gdzie laboratoryjne odkrycia często napotykają bariery komercjalizacji.
Wartość poznawcza odkrycia
Odkrycie duńskich naukowców ma znaczenie wykraczające poza potencjalne zastosowania praktyczne. Dostarcza cennych informacji o tym, jak specyficzne cechy strukturalne wpływają na transport ciepła w materiałach. Ta wiedza jest kluczowa dla projektowania nowych materiałów o dostosowanych właściwościach.
Czytaj także: Naukowcy wprawieni w osłupienie zachowaniem nadprzewodnika. To nowy rozdział w fizyce
Nie zmienia to faktu, że można uzyskać szkłopodobne właściwości cieplne w materiałach krystalicznych poprzez wprowadzenie kontrolowanego nieuporządkowania na poziomie atomowym. Otwiera to drogę do syntezy podobnych związków, które mogłyby łączyć zalety struktur krystalicznych z unikalnymi właściwościami transportowymi.
Badania nad AgGaGe3Se8 stanowią ważny krok w kierunku lepszego zrozumienia związków między strukturą atomową a makroskopowymi właściwościami materiałów. W nauce czasami najciekawsze jest nie to, co materiał potrafi, ale dlaczego zachowuje się w tak nieoczekiwany sposób. W przypadku AgGaGe3Se8 mamy do czynienia z doskonałym przykładem tego, jak natura potrafi zaskakiwać nawet najbardziej doświadczonych badaczy.