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Oct 03, 2023

Transport de chaleur dans les matériaux énergétiques : une étude clarifie les mécanismes microscopiques fondamentaux

9 juin 2023 Cet article

9 juin 2023

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par Max Planck Society

Les chercheurs du Laboratoire NOMAD ont récemment mis en lumière les mécanismes microscopiques fondamentaux qui peuvent aider à adapter les matériaux pour l'isolation thermique. Ce développement fait progresser les efforts en cours pour améliorer l'efficacité énergétique et la durabilité.

Le rôle du transport de chaleur est crucial dans diverses applications scientifiques et industrielles, telles que la catalyse, les technologies de turbine et les convertisseurs de chaleur thermoélectriques qui convertissent la chaleur perdue en électricité.

Particulièrement dans le contexte de la conservation de l'énergie et du développement de technologies durables, les matériaux à haute capacité d'isolation thermique sont de la plus haute importance. Ces matériaux permettent de retenir et d'utiliser la chaleur qui serait autrement perdue. Par conséquent, l'amélioration de la conception de matériaux hautement isolants est un objectif de recherche clé pour permettre des applications plus économes en énergie.

Cependant, concevoir des isolants thermiques puissants est loin d'être anodin, même si les lois physiques fondamentales sous-jacentes sont connues depuis près d'un siècle. Au niveau microscopique, le transport de chaleur dans les semi-conducteurs et les isolants était compris en termes d'oscillation collective des atomes autour de leurs positions d'équilibre dans le réseau cristallin. Ces oscillations, appelées "phonons" dans le domaine, impliquent un grand nombre d'atomes dans les matériaux solides et couvrent donc de grandes échelles de longueur et de temps presque macroscopiques.

Dans une récente publication conjointe dans Physical Review B et Physical Review Letters, des chercheurs du laboratoire NOMAD de l'Institut Fritz Haber ont avancé les possibilités de calcul pour calculer les conductivités thermiques sans apport expérimental avec une précision sans précédent. Ils ont démontré que pour les isolants thermiques puissants, l'image des phonons mentionnée ci-dessus n'est pas appropriée.

À l'aide de calculs à grande échelle sur des superordinateurs de la Max Planck Society, de la North-German Supercomputing Alliance et du Jülich Supercomputing Center, ils ont scanné plus de 465 matériaux cristallins, dont la conductivité thermique n'avait pas encore été mesurée. Outre la découverte de 28 isolants thermiques puissants, dont six présentent une conductivité thermique ultra-faible comparable à celle du bois, cette étude a mis en lumière un mécanisme jusqu'ici généralement ignoré qui permet de réduire systématiquement la conductivité thermique.

"Nous avons observé la formation temporaire de structures défectueuses qui influencent massivement le mouvement atomique pendant une période de temps extrêmement courte", explique le Dr Florian Knoop (aujourd'hui l'Université de Linköping), premier auteur des deux publications.

"De tels effets sont généralement négligés dans les simulations de conductivité thermique, car ces défauts sont si éphémères et si microscopiquement localisés par rapport aux échelles typiques de transport de chaleur, qu'ils sont supposés non pertinents. Cependant, les calculs effectués ont montré qu'ils déclenchent une baisse conductivités thermiques », ajoute le Dr Christian Carbogno, auteur principal des études.

Ces connaissances peuvent offrir de nouvelles opportunités pour affiner et concevoir des isolants thermiques à l'échelle nanométrique grâce à l'ingénierie des défauts, contribuant potentiellement aux progrès de la technologie économe en énergie.

Plus d'information: Florian Knoop et al, Anharmonicity in Thermal Insulators: An Analysis from First Principles, Physical Review Letters (2023). DOI : 10.1103/PhysRevLett.130.236301

Florian Knoop et al, Simulations Ab initio Green-Kubo du transport de chaleur dans les solides : Méthode et implémentation, Physical Review B (2023). DOI : 10.1103/PhysRevB.107.224304

Informations sur la revue :Examen physique B , Lettres d'examen physique

Fourni par la société Max Planck