소식

Oct 03, 2023

에너지 물질의 열 전달: 연구를 통해 기본적인 미세 메커니즘이 명확해졌습니다.

2023년 6월 9일 이 기사

2023년 6월 9일

이 기사는 Science X의 편집 과정 및 정책에 따라 검토되었습니다. 편집자들은 콘텐츠의 신뢰성을 보장하면서 다음 특성을 강조했습니다.

사실 확인된

동료 검토 출판물

신뢰할 수 있는 출처

교정하다

막스 플랑크 소사이어티

NOMAD 연구소 연구원들은 최근 단열재 맞춤 제작에 도움이 될 수 있는 기본적인 미세 메커니즘을 밝혀냈습니다. 이러한 개발은 에너지 효율성과 지속 가능성을 향상시키기 위한 지속적인 노력을 발전시킵니다.

열 전달의 역할은 촉매 작용, 터빈 기술, 폐열을 전기로 변환하는 열전 열 변환기 등 다양한 과학 및 산업 응용 분야에서 매우 중요합니다.

특히 에너지 절약과 지속 가능한 기술 개발의 맥락에서 높은 단열 성능을 갖춘 소재는 가장 중요합니다. 이러한 재료를 사용하면 낭비될 열을 유지하고 활용할 수 있습니다. 따라서 절연성이 높은 재료의 설계를 개선하는 것은 보다 에너지 효율적인 응용을 가능하게 하는 핵심 연구 목표입니다.

그러나 기본 물리 법칙이 거의 100년 동안 알려져 왔음에도 불구하고 강력한 단열재를 설계하는 것은 결코 쉬운 일이 아닙니다. 미시적 수준에서 반도체와 절연체의 열 전달은 결정 격자의 평형 위치 주변의 원자의 집단 진동으로 이해되었습니다. 현장에서 "포논"이라고 불리는 이러한 진동은 고체 물질에 엄청난 수의 원자를 포함하므로 크고 거의 거시적인 길이 및 시간 규모를 포괄합니다.

최근 Physical Review B 및 Physical Review Letters에 게재된 논문에서 Fritz Haber Institute의 NOMAD 연구소 연구원들은 전례 없는 정확도로 실험적 입력 없이 열전도도를 계산할 수 있는 계산 가능성을 발전시켰습니다. 그들은 강한 단열재의 경우 위에서 언급한 포논 그림이 적절하지 않다는 것을 입증했습니다.

막스 플랑크 협회(Max Planck Society), 북독일 슈퍼컴퓨팅 연합(North-German Supercomputing Alliance) 및 율리히 슈퍼컴퓨팅 센터(Jülich Supercomputing Centre)의 슈퍼컴퓨터에 대한 대규모 계산을 사용하여 아직 열전도도가 측정되지 않은 465개 이상의 결정질 물질을 스캔했습니다. 28개의 강력한 단열재를 발견한 것(그 중 6개는 목재에 필적할 만큼 매우 낮은 열전도율을 나타냄) 외에도 이 연구는 체계적으로 열전도율을 낮출 수 있는 지금까지 일반적으로 감독되었던 메커니즘을 밝혀냈습니다.

두 논문의 첫 번째 저자인 Florian Knoop 박사(현재 Linköping University)는 "우리는 극히 짧은 기간 동안 원자 운동에 막대한 영향을 미치는 결함 구조의 일시적인 형성을 관찰했습니다."라고 말했습니다.

"이러한 효과는 일반적으로 열 전도도 시뮬레이션에서 무시됩니다. 이러한 결함은 수명이 너무 짧고 일반적인 열 전달 규모에 비해 미시적으로 국지화되어 관련성이 없는 것으로 간주되기 때문입니다. 그러나 수행된 계산에 따르면 이러한 영향은 낮은 수준을 유발하는 것으로 나타났습니다. 열 전도도"라고 해당 연구의 수석 저자인 Christian Carbogno 박사는 덧붙였습니다.

이러한 통찰력은 결함 엔지니어링을 통해 나노 수준에서 단열재를 미세 조정하고 설계할 수 있는 새로운 기회를 제공하여 잠재적으로 에너지 효율적인 기술의 발전에 기여할 수 있습니다.

추가 정보: Florian Knoop 등, 단열재의 불일치: 첫 번째 원리 분석, 물리적 검토 서한(2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.236301