Asegun Henry veut éviter les pires effets du changement climatique en trouvant de nouvelles formes d'énergie renouvelable et en améliorant les matériaux qui contribuent à la consommation d'énergie.

« La façon dont nous produisons l'électricité aujourd'hui pollue l'environnement, " dit Henri, professeur de génie mécanique à Georgia Tech. "Ma recherche est principalement axée sur la conversion d'une infrastructure basée sur les combustibles fossiles à une infrastructure basée sur les énergies renouvelables ou solaires afin que nous puissions compter sur des formes d'énergie renouvelables qui ne polluent pas du tout le monde.

"Personnellement, je vois cela comme sauver le monde."

Ce qui différencie l'approche d'Henry des problèmes énergétiques de celle des autres ingénieurs, c'est son expérience en modélisation informatique au niveau atomique.

"Je comprends différents processus en termes de ce qui se passe au niveau atomique, " a déclaré Henry. " Cela me permet de développer des idées et des opportunités pour de nouvelles idées qui sont différentes des autres qui viennent du niveau macroscopique. "

Ses recherches s'intéressent en grande partie au fonctionnement du transport de chaleur aux plus petites échelles.

En octobre, Henry a publié les résultats d'une étude sur le dioxyde de silicium amorphe, communément appelé verre, en Rapports scientifiques sur la nature cela a répondu à un mystère de longue date sur le matériau de tous les jours :pourquoi sa conductivité thermique augmente avec la température.

Le transport de chaleur dans le silicium amorphe est déterminé par le comportement des phonons dans le matériau. Les phonons sont similaires aux électrons ou aux photons, en ce qu'ils transportent de la chaleur, mais au lieu de dériver d'un rayonnement électromagnétique ou de particules subatomiques chargées négativement, ils sont associés aux vibrations collectives des atomes.

Les scientifiques peuvent prédire avec précision la conductivité thermique de nombreux matériaux cristallins à l'aide d'expressions basées sur le « modèle de gaz phonon » largement utilisé. Cependant, la modélisation du transfert de chaleur dans les matériaux amorphes (ceux qui n'ont pas l'ordre et la périodicité d'un cristal) est plus difficile.

"Contrairement aux matériaux cristallins, où les vibrations deviennent des mouvements collectifs qui agissent comme des ondes sonores, en matériaux amorphes, vous obtenez différents types de vibrations, dont la majorité semble aléatoire, comme la structure sous-jacente, " expliqua Henry. " Tu deviens même petit, vibrations localisées qui ne sont constituées que de dizaines d'atomes."

Ces petites vibrations étaient connues pour exister, mais personne n'avait jamais évalué dans quelle mesure ils contribuent au transfert de chaleur.

"L'hypothèse était qu'ils ne contribuent pas du tout, " dit Henry. " Mais ce qui était surprenant que nous ayons trouvé avec notre nouvelle méthode, c'est que dans ce matériau spécifique, les modes localisés y contribuent substantiellement."

À l'aide du supercalculateur Stampede du Texas Advanced Computing Center, l'un des plus puissants au monde, Henry a effectué des simulations qui ont capturé le comportement des vibrations localisées comme jamais auparavant.

Non seulement les résultats correspondent aux résultats expérimentaux, ils ont découvert que les modes localisés contribuaient pour plus de 10 % à la conductivité thermique totale et étaient en grande partie responsables de l'augmentation de la conductivité thermique du silicium amorphe au-dessus de la température ambiante.

"Ces calculs qui sont faits sont inextricables sur une seule machine. Vous attendriez des années pour obtenir la réponse, " a-t-il dit. " Pour pouvoir diviser le problème en centaines ou en milliers de parties individuelles qui s'exécutent simultanément, et le faire massivement en parallèle est complètement habilitant."

La conductivité thermique du verre est importante pour l'efficacité énergétique.

"Les pourcentages à deux chiffres de toute la consommation d'énergie aux États-Unis sont liés au verre, " dit Henry. " Le principal endroit où vous perdez de la chaleur est à travers les fenêtres. "

Non seulement cela :le silicium amorphe est utilisé dans les cellules solaires, et la plupart des polymères (plastiques) tels que ceux utilisés dans l'électronique personnelle, sont composés de matériaux amorphes.

Les succès d'Henry dans la capture des vibrations atomiques du verre étaient dus au développement d'une nouvelle façon d'étudier la dynamique des phonons, avec lequel il avait créé avec Wei Lv, un doctorant dans son laboratoire, Connue sous le nom d'analyse modale Green-Kubo (GKMA), la nouvelle méthode utilise des simulations de dynamique moléculaire pour calculer plus précisément les contributions des différents modes de vibration à la conduction thermique.

En décembre 2016, Henry et Lv ont publié une large analyse de GKMA par rapport au modèle de gaz phonon dans Rapports scientifiques sur la nature . Leurs résultats suggèrent fortement que le modèle du gaz phonon n'est pas applicable aux solides amorphes. La recherche est financée en partie par un prix CAREER de la National Science Foundation (NSF).

La méthode GKMA peut être appliquée à une large gamme de matériaux, y compris les alliages, d'autres solides amorphes et même des molécules rigides.

Comprendre et modéliser avec précision ces systèmes peut conduire à une meilleure, des formes plus économes en énergie des matériaux de tous les jours.

« Le projet d'Asegun est un excellent exemple du type d'effort soutenu par NSF :basique, très complexe, et pourtant potentiellement perturbateur pour la pratique de l'ingénierie, " dit José Lage, Directeur du programme NSF Thermal Transport Processes. "Ses efforts sont à la pointe de l'un des nouveaux domaines de recherche les plus passionnants dans les processus de transport thermique, et a déjà affecté notre compréhension d'un phénomène d'ingénierie très complexe."

Finalement, Henry espère utiliser les connaissances qu'il a acquises pour identifier et concevoir des matériaux dotés de propriétés sans précédent, des matériaux capables de transférer la chaleur beaucoup plus efficacement et potentiellement même des matériaux supraconducteurs.

« Nous sommes sur le point de pousser notre communauté à repenser le problème de la conductivité thermique et à exploiter les comportements pour obtenir des propriétés que l'on pensait auparavant impossibles, " il a dit.

Simulations de sonification

Les scientifiques comprennent généralement les données à l'aide de graphiques et de visualisations. Mais est-il possible d'utiliser le son pour interpréter des informations complexes ?

Henry pense que oui, sur la base de ses expériences personnelles en obtenant des informations à partir d'enregistrements de vibrations atomiques. Ses efforts ont commencé lorsqu'il essayait de comprendre les résultats d'une simulation d'une chaîne polymère étirée.

« Si vous regardez les données, on dirait du bruit blanc, " dit Henry. " Nous avons décidé de sonifier les données, et dès que nous l'avons écouté, nous pouvions entendre le motif."

Henri, qui a une formation en musique, dit que cela a du sens, étant donné les pouvoirs naturels de traitement audio du cerveau.

"L'oreille humaine est meilleure que l'œil pour la reconnaissance des formes, " dit Henry. " Si vous interagissez avec un organe c'est mieux, vous pouvez trouver des modèles qui ne sont pas évidents."

Depuis, il a sonifié les vibrations de divers matériaux comme un moyen d'explorer leur signification.

"Quand vous écoutez l'orateur, l'aimant fait les mêmes mouvements que l'atome, " il a dit.

Transformer les propriétés atomiques en sons peut également être un moyen efficace d'intéresser les élèves à la physique et à la science des matériaux. Dans le cadre de son prix NSF CAREER, Henry a dirigé un programme de sensibilisation d'été où des étudiants afro-américains et féminins, professeurs de musique au lycée, et des lycéens travaillent à convertir les vibrations des atomes en fichiers sonores.

Ils généreront des résultats pour l'ensemble du tableau périodique et diffuseront leurs découvertes via une application mobile qui vous permet d'écouter chaque élément.

Les particuliers pourront utiliser l'application mobile pour faire de la musique à partir de ces sons, offrant une nouvelle façon pour le public d'apprendre et d'apprécier la beauté de la chimie.

"L'approche de l'utilisation de la sonification est plutôt générale et pourrait être significative pour de nombreux domaines, car il exploite une propriété de base de l'ouïe humaine par rapport à la vue, " a déclaré Henry. " Espérons que notre application suscitera plus d'utilisation dans les domaines de la science et de l'ingénierie. "