Une découverte par des scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie soutient une théorie centenaire d'Albert Einstein qui explique comment la chaleur se déplace à travers tout, des tasses de voyage aux pièces de moteur.

Le transfert de chaleur est fondamental pour tous les matériaux. Cette nouvelle recherche, publié dans la revue Science , isolants thermiques explorés, qui sont des matériaux qui bloquent la transmission de la chaleur.

"Nous avons vu des preuves de ce qu'Einstein a proposé pour la première fois en 1911 - que l'énergie thermique saute au hasard d'un atome à l'autre dans les isolants thermiques, " a déclaré Lucas Lindsay, théoricien des matériaux à l'ORNL. "Le saut s'ajoute au flux de chaleur normal à travers la vibration collective des atomes."

Le saut d'énergie aléatoire n'est pas perceptible dans les matériaux qui conduisent bien la chaleur, comme le cuivre au fond des casseroles pendant la cuisson, mais peut être détectable dans les solides qui sont moins capables de transmettre la chaleur.

Cette observation fait progresser la compréhension de la conduction thermique dans les isolants thermiques et facilitera la découverte de nouveaux matériaux pour des applications thermoélectriques qui récupèrent la chaleur perdue en revêtements barrières qui empêchent la transmission de la chaleur.

Lindsay et ses collègues ont utilisé des outils sophistiqués de détection des vibrations pour détecter le mouvement des atomes et des superordinateurs afin de simuler le trajet de la chaleur à travers un simple cristal à base de thallium. Leur analyse a révélé que les vibrations atomiques dans le réseau cristallin étaient trop lentes pour transmettre beaucoup de chaleur.

"Nos prédictions étaient deux fois inférieures à celles que nous avons observées lors de nos expériences. Nous avons d'abord été déconcertés, " Lindsay a déclaré. "Cela a conduit à l'observation qu'un autre mécanisme de transfert de chaleur doit être en jeu."

Le fait de savoir qu'il existe le deuxième canal de transfert de chaleur à sauts d'énergie aléatoires informera les chercheurs sur la façon de choisir les matériaux pour les applications de gestion de la chaleur. Cette trouvaille, s'il est appliqué, pourrait réduire considérablement les coûts énergétiques, émissions de carbone et chaleur résiduelle.

De nombreux matériaux utiles, comme le silicium, ont un réseau d'atomes chimiquement liés. La chaleur est généralement transportée à travers ce réseau par des vibrations atomiques, ou des ondes sonores. Ces ondes calorifiques se heurtent, ce qui ralentit le transfert de chaleur.

"Le matériau à base de thallium que nous avons étudié a l'une des conductivités thermiques les plus basses de tous les cristaux, " Lindsay a dit. " Une grande partie de l'énergie vibrante est confinée à des atomes simples, et l'énergie saute ensuite au hasard à travers le cristal."

"Les ondes sonores et le mécanisme de saut de chaleur théorisé pour la première fois par Einstein caractérisent un modèle à deux canaux, et pas seulement dans ce matériau, mais dans plusieurs autres matériaux qui démontrent également une conductivité ultra-faible, " a déclaré le scientifique des matériaux de l'ORNL, David Parker.

Pour l'instant, les sauts thermiques peuvent n'être détectables que dans d'excellents isolants thermiques. "Toutefois, ce canal de saut de chaleur peut bien être présent dans d'autres solides cristallins, créer un nouveau levier de gestion de la chaleur, " il a dit.

Le co-auteur principal de l'étude était Saikat Mukhopadhyay, ancien associé de recherche postdoctoral à l'ORNL et actuellement associé de recherche du National Research Council au U.S. Naval Research Laboratory.

Co-auteurs supplémentaires de l'article intitulé, "Modèle à deux canaux pour une conductivité thermique ultra-faible du Tl3VSe4 cristallin, " inclus David S. Parker de l'ORNL, Brian C. Ventes, Alexandre A. Puretzky, Michael A. McGuire et Lucas Lindsay.