Des physiciens théoriques de SISSA et de l'Université de Californie à Davis ont développé une nouvelle approche du transport de la chaleur dans les matériaux, qui permet enfin des cristaux, solides polycristallins, alliages et verres à traiter sur la même base solide. Il ouvre la voie à la simulation numérique des propriétés thermiques d'une vaste classe de matériaux dans des domaines importants tels que l'économie d'énergie, conversion, dépouillement, espace de rangement, dissipation de la chaleur, le blindage et les sciences planétaires, qui ont jusqu'à présent esquivé un traitement informatique approprié. La recherche a été publiée dans Communication Nature .

La chaleur se dissipe avec le temps. Dans un sens, le flux de chaleur est la caractéristique déterminante de la flèche du temps. Malgré l'importance fondamentale du transport de la chaleur, le père de sa théorie moderne, Sir Rudolph Peierls, écrit en 1961, "Il semble qu'il n'y ait pas de problème en physique moderne pour lequel il y a autant de faux départs enregistrés, et autant de théories qui négligent une caractéristique essentielle, comme dans le problème de la conductivité thermique des cristaux non conducteurs."

Un demi-siècle s'est écoulé depuis, et le transport de chaleur est toujours l'un des chapitres les plus insaisissables de la science théorique des matériaux. En réalité, aucune approche unifiée n'a pu traiter sur un pied d'égalité les cristaux et les solides (partiellement) désordonnés, entravant ainsi les efforts de générations de scientifiques des matériaux pour simuler certains matériaux, ou différents états du même matériau se produisant dans le même système ou dispositif physique avec la même précision.

Cette lacune majeure a finalement été comblée par un groupe de chercheurs de SISSA et UC Davis, dirigé par Stefano Baroni et Davide Donadio dans le cadre du MAX EU Center for Supercomputing Applications. Les chercheurs ont développé une nouvelle méthodologie basée sur la théorie de Green-Kubo de la réponse linéaire et des concepts de la dynamique du réseau qui relie bien les différentes approches s'appliquant aux cristaux et aux verres. La nouvelle méthodologie tient naturellement compte des effets de la mécanique quantique, permettant enfin la modélisation prédictive du transport de chaleur dans des matériaux désordonnés complexes dans le régime quantique à basse température auquel aucune technique existante ne s'appliquait.

Cet exploit permettra ainsi aux scientifiques et aux ingénieurs de comprendre et de concevoir le transport de chaleur pour une grande variété d'applications. Atteindre une conductivité thermique extrêmement faible est essentiel pour la récupération d'énergie thermoélectrique et le refroidissement à l'état solide, isolation thermique et revêtement barrière thermique, alors qu'une conductivité thermique élevée est essentielle pour la gestion de la chaleur dans l'électronique haute puissance, batteries et photovoltaïque. Finalement, nanostructuré, polycristallin, les matériaux très défectueux ou même vitreux peuvent être étudiés avec une grande précision dans un cadre unifié et praticable.