Yüzyıllar önce düşen bir göktaşında – hatta Mars’ta bile – bulunan nadir bir mineral, sıra dışı ısı iletkenliği davranışıyla bilim insanlarını şaşırttı. Ne tamamen kristal ne de tamamen cam olan bu hibrit malzeme, bilinen hiçbir şeye benzemeyen bir şekilde, sıcaklık değişse de ısı iletkenliğini sabit tutuyor.
Kristaller ve camlar ısıyı tamamen farklı şekillerde iletir ve bu özellik, modern teknolojilerin birçoğunda kritik rol oynar. Bunlar arasında elektronik cihazları küçültmek ve verimliliğini artırmak, atık ısıyı enerjiye dönüştürmek ve havacılıkta kullanılan ısı kalkanlarının ömrünü uzatmak gibi uygulamalar yer alır.
Bu teknolojilerin performansını ve dayanıklılığını artırmak, malzemelerin kimyasal yapısının ve atomik düzeninin (örneğin kristal, camsı veya nano-yapılı) ısı iletimini nasıl etkilediğini anlamaya bağlıdır. Columbia Üniversitesi’nde uygulamalı fizik ve matematik yardımcı doçenti olan Michele Simoncelli, bu sorunu kuantum mekaniğinin temel denklemlerinden yola çıkarak, yapay zekâ yöntemleriyle yüksek hassasiyetle çözüyor.
11 Temmuz’da Proceedings of the National Academy of Sciences dergisinde yayımlanan araştırmada Simoncelli, Lozan’daki İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü’nden Nicola Marzari ve Roma Sapienza Üniversitesi’nden Francesco Mauri ile birlikte, kristal ve camların ısıl davranışlarını harmanlayan bir malzemenin varlığını öngördü. Paris Sorbonne Üniversitesi’nden Etienne Balan, Daniele Fournier ve Massimiliano Marangolo liderliğindeki bir grup ise bu tahmini deneylerle doğruladı.
Bu benzersiz malzeme ilk olarak göktaşlarında tanımlandı ve Mars’ta da tespit edildi. Olağandışı ısı yönetimi özellikleri, aşırı sıcaklık farklarına dayanabilecek yeni malzeme tasarımlarına kapı aralayabilir ve gezegenlerin termal geçmişine dair ipuçları verebilir.
Isı iletimi, malzemenin kristal (düzenli atom örgüsüne sahip) mi yoksa camsı (düzensiz, amorf yapıda) mı olduğuna bağlıdır. Genel olarak kristallerde sıcaklık arttıkça ısı iletkenliği düşerken, camlarda ısı iletkenliği artar.
2019’da Simoncelli, Marzari ve Mauri, kristaller ve camlarda gözlenen bu zıt eğilimleri açıklayan tek bir denklem geliştirdi. Denklem ayrıca atık ısı geri kazanımı için termoelektriklerde, perovskit güneş pillerinde ve ısı kalkanlarında kullanılan kısmen düzensiz malzemelerin ara davranışlarını da tanımlayabiliyordu.
Ekip bu denklemi kullanarak, kumun ana bileşenlerinden biri olan silisyum dioksitten yapılmış malzemelerde atom yapısı ile ısı iletkenliği ilişkisini inceledi. 1960’larda göktaşlarına özgü olarak tanımlanan özel bir “tridimit” formunun, hibrit kristal-cam malzeme özellikleri göstererek sıcaklığa bağlı olmayan sabit ısı iletkenliğine sahip olacağını öngördüler.
Bu öngörü, Nobel Fizik Ödülü’nün 1920’de verildiği termal genleşmedeki “invar etkisi”ne benzer bir davranıştı. Bunun üzerine ekip, Paris Doğa Tarihi Ulusal Müzesi’nden özel izinle, 1724’te Almanya’nın Steinbach kentine düşen bir göktaşından tridimit silika örneği üzerinde deneyler yaptı.
Deneyler, tahminleri doğruladı: Meteoritik tridimit, kristal ile cam arasında bir atomik yapıya sahipti ve 80 K ile 380 K arasındaki deneysel sıcaklık aralığında ısı iletkenliği neredeyse sabit kaldı.