Une nouvelle théorie des phénomènes croisés pourrait être appliquée pour prédire si un nouveau matériau serait efficace pour une utilisation dans diverses applications, des ultrasons médicaux améliorés aux réfrigérateurs plus efficaces, selon un chercheur de Penn State.

Les phénomènes croisés sont les réponses d'un système à des stimuli externes. Ils se produisent dans pratiquement tous les systèmes, de l'échelle quantique à l'échelle macro. L'existence de phénomènes croisés explique comment un stimulus externe entraîne le flux de pièces à l'intérieur d'un système et comment la fonctionnalité et l'efficacité du système dépendent de la force motrice et de la mobilité des pièces en circulation.

"La majorité des études sur les matériaux impliquent des phénomènes croisés", a déclaré Zi-Kui Liu, professeur Dorothy Pate Enright de science et d'ingénierie des matériaux et auteur de l'étude publiée dans Materials Research Letters . "Si vous configurez un gradient de température à travers un matériau thermoélectrique, il générera de l'électricité et produira ainsi de l'électricité telle que celle utilisée dans les engins spatiaux de la NASA. Alors que si vous appliquez un courant électrique élevé, cela peut entraîner une baisse de la température, ce qui pourrait être utile pour la réfrigération. Ce sont des phénomènes croisés.

Liu a noté que les phénomènes croisés sont observables dans les systèmes naturels et humains. Un exemple de système naturel est la Terre elle-même où la chaleur du Soleil entraîne toutes sortes de phénomènes croisés, y compris l'évaporation de l'eau et la photosynthèse pour la croissance des arbres et des cultures. Un exemple de phénomènes croisés dans un système dirigé par l'homme est le marché boursier, où un facteur externe tel qu'une guerre peut provoquer la peur, ce qui pousse davantage de personnes à vouloir vendre des actions et à faire baisser les prix des actions, et dans des conditions extrêmes, l'ensemble du marché franchir sa limite de stabilité, provoquant un crash.

Selon Liu, sa nouvelle théorie des phénomènes croisés va au-delà de l'approche scientifique phénoménologique, où des observations dans des expériences sont faites pour décrire la relation des phénomènes entre eux en fonction de ce qui est observé.

"Vous pouvez faire des observations phénoménologiques mais aussi vous demander pourquoi cela se produit", a déclaré Liu. "Nous comprenons la loi fondamentale et disons d'accord, cette observation a du sens. Mais vous pouvez aussi dire non, cette observation était superficielle, il y avait quelque chose de réellement différent de ce que nous pensions qu'il se passerait et qui nécessite une enquête plus approfondie. Avec une meilleure compréhension et même de nouvelles lois, on peut prédire comment les stimuli affectent un système donné à l'avenir."

La nouvelle théorie implique ce que Liu appelle la théorie Zentropy. La zentropie est basée sur l'entropie, la partie de la deuxième loi de la thermodynamique qui exprime la mesure du désordre d'un système qui se produit sur une période de temps où aucune énergie n'est appliquée pour maintenir l'ordre. Zentropy considère comment l'entropie se produit sur plusieurs échelles au sein d'un système en intégrant la mécanique quantique, la mécanique statistique et les mesures expérimentales de la thermodynamique.

"Notre travail et le travail d'autres ont établi des méthodes pour prédire les coefficients cinétiques, c'est-à-dire la mobilité, basées sur l'énergétique, c'est-à-dire la thermodynamique", a déclaré Liu. "Et le présent travail sur notre nouvelle théorie des phénomènes croisés indique que les phénomènes croisés sont dus à la dépendance de la force motrice vis-à-vis d'autres variables indépendantes en plus de sa variable conjuguée, c'est-à-dire les quantités thermodynamiques. La mobilité dépend également de toutes les variables indépendantes, mais pas en termes de phénomènes croisés communément définis. L'approche phénoménologique n'est pas basée sur les fondamentaux et n'est donc pas aussi rigoureuse.

Cette nouvelle théorie des phénomènes croisés peut être utilisée par les chercheurs pour guider la découverte expérimentale et fournir une compréhension théorique des observations expérimentales. Cela pourrait permettre aux chercheurs de prédire les meilleures façons de développer de nouveaux matériaux avec un comportement émergent via la mécanique quantique et la mécanique statistique, a déclaré Liu. Le comportement émergent dans un système fait référence aux caractéristiques de l'ensemble qui sont supérieures à la somme de ses parties.

Liu pointed to one example based on an ultrasound transducer, the hand-held part of an ultrasound machine, that is used to detect a fetus's heartbeat in the womb.

"The heartbeat vibrates the transducer then it generates electricity via ferroelectrics, so you actually 'see' electricity on the screen as an image of the baby," Liu said. "That's cross phenomena. A mechanical vibration will give you strain, not a classical cross phenomenon, that's just strain. But when the strain is converted to electricity, that's cross phenomena. Often ultrasound images are not clear and rather blurry, but if we can predict how to develop better materials to make a more sensitive transducer, the images will get much better resolution."

The next step in this study is to research how this novel theory of cross phenomena can be used as a predictive tool to enable more efficient discovery of materials with emergent behaviors including superconductivity, ferroelectricity, and ferromagnetism for applications in energy conversion, refrigeration, and sensors. + Explorer plus loin

Novel theory of entropy may solve materials design issues