Ny modelleringsmetode fokuserer opmærksomheden på amorfe materialer usædvanlige vibrationstilstande

Asegun Henry ønsker at afværge de værste virkninger af klimaændringer ved at finde nye former for vedvarende energi og forbedre de materialer, der bidrager til energiforbrug.

”Den måde, vi producerer elektricitet på i dag, forurener miljøet, sagde Henry, en maskiningeniør professor ved Georgia Tech. "Min forskning er primært centreret om at omdanne os fra en fossil brændstofbaseret infrastruktur til en vedvarende eller solbaseret infrastruktur, så vi kan stole på vedvarende energiformer, der slet ikke forurener verden.

"Jeg personligt ser det som at redde verden."

Det, der gør Henrys tilgang til energiproblemer anderledes end andre ingeniører, er hans baggrund i computermodeller på atomniveau.

"Jeg forstår forskellige processer i forhold til, hvad der foregår på atomniveau, "Henry sagde." Det giver mig mulighed for at udvikle indsigt og muligheder for nye ideer, der er forskellige fra andre, der kommer fra det makroskopiske niveau. "

Hans forskning er i høj grad interesseret i, hvordan varmetransport fungerer i de mindste skalaer.

I oktober, Henry offentliggjorde resultaterne af en undersøgelse af amorft siliciumdioxid - almindeligvis kendt som glas - i Naturvidenskabelige rapporter der besvarede et mangeårigt mysterium om det daglige materiale:hvorfor dets varmeledningsevne stiger med temperaturen.

Transport af varme i amorft silicium bestemmes af fonons adfærd i materialet. Fononer ligner elektroner eller fotoner, ved at de bærer varme, men i stedet for at stamme fra elektromagnetisk stråling eller negativt ladede subatomære partikler, de er forbundet med atomernes kollektive vibrationer.

Forskere kan præcist forudsige varmeledningsevnen for mange krystallinske materialer ved hjælp af udtryk baseret på den meget udbredte "fonongasmodel". Imidlertid, modellering af varmeoverførsel i amorfe materialer - dem, der mangler rækkefølge og periodicitet af en krystal - er mere udfordrende.

"I modsætning til krystallinske materialer, hvor vibrationerne bliver til kollektive bevægelser, der fungerer som lydbølger, i amorfe materialer, du får forskellige slags vibrationer, hvoraf de fleste ser tilfældige ud, ligesom den underliggende struktur, "Forklarede Henry." Du bliver selv lille, lokaliserede vibrationer, der kun består af snesevis af atomer. "

Disse små vibrationer var kendt for at eksistere, men ingen havde nogensinde vurderet, hvor meget de bidrager til varmeoverførsel.

"Antagelsen var, at de slet ikke bidrager, "Sagde Henry." Men det overraskende, vi fandt med vores nye metode, var, at i dette specifikke materiale, de lokaliserede tilstande bidrager væsentligt. "

Ved hjælp af Stampede -supercomputeren i Texas Advanced Computing Center - en af ​​de mest magtfulde i verden - kørte Henry simuleringer, der fangede opførsel af lokaliserede vibrationer som aldrig før.

Resultaterne matchede ikke kun eksperimentelle resultater, de fandt ud af, at lokaliserede tilstande bidrog med mere end 10 procent til den samlede varmeledningsevne og i høj grad er ansvarlige for stigningen i varmeledningsevne for amorft silicium over stuetemperatur.

"Disse beregninger, der bliver udført, kan ikke håndteres på en enkelt maskine. Du ville vente i årevis med at få svaret, "sagde han." For at kunne opdele problemet i hundreder eller tusinder af individuelle dele, der kører samtidigt, og gør det massivt parallelt er fuldstændig mulig. "

Glassets varmeledningsevne er tilfældigvis vigtig for energieffektiviteten.

"Dobbeltcifrede procenter af al energiforbrug i USA er relateret til glas, "Sagde Henry." Det vigtigste sted du mister varme er gennem vinduer. "

Ikke nok med det:amorft silicium bruges i solceller, og de fleste polymerer - plast - såsom dem, der bruges i personlig elektronik, er sammensat af amorfe materialer.

Henrys succes med at fange de atomare vibrationer i glas skyldtes udviklingen af ​​en ny måde at studere fonons dynamik, som han havde oprettet med Wei Lv, en doktorand i sit laboratorium, Kendt som Green-Kubo Modal Analysis (GKMA), den nye metode bruger molekylære dynamiksimuleringer til mere præcist at beregne de bidrag, forskellige vibrationsmåder giver til varmeledningen.

I december 2016, Henry og Lv offentliggjorde en bred analyse af GKMA kontra fonongasmodellen i Naturvidenskabelige rapporter . Deres resultater tyder kraftigt på, at fonongasmodellen ikke er anvendelig på amorfe faste stoffer. Forskningen støttes delvist af en National Science Foundation (NSF) CAREER Award.

GKMA -metoden kan anvendes på en lang række materialer, herunder legeringer, andre amorfe faste stoffer og endda stive molekyler.

Forståelse og nøjagtig modellering af disse systemer kan føre til bedre, mere energieffektive former for dagligdags materialer.

"Aseguns projekt er et glimrende eksempel på den type indsats, der støttes af NSF:grundlæggende, meget komplekst, og alligevel potentielt forstyrrende for ingeniørpraksis, "sagde José Lage, NSF Thermal Transport Processes programdirektør. "Hans indsats er i spidsen for et af de mest spændende nye forskningsområder inden for termiske transportprocesser, og har allerede påvirket vores forståelse af et meget komplekst ingeniørfænomen. "

Ultimativt, Henry håber at kunne bruge den indsigt, han har opnået, til at identificere og designe materialer med hidtil usete egenskaber - materialer, der kan overføre varme langt mere effektivt og potentielt endda superledende materialer.

"Vi er på kanten af ​​at skubbe vores samfund til at genoverveje problemet med varmeledningsevne og udnytte adfærd for at opnå egenskaber, der tidligere blev antaget at være umulige, " han sagde.

Sonificerende simuleringer

Forskere forstår typisk data gennem grafer og visualiseringer. Men er det muligt at bruge lyd til at fortolke komplekse oplysninger?

Henry mener, at det er, baseret på, at hans personlige oplevelser får indsigt fra optagelser af atomvibrationer. Hans indsats begyndte, da han forsøgte at forstå resultaterne af en simulering af en udstrakt polymerkæde.

"Hvis du ser på dataene, det ligner hvid støj, "Sagde Henry." Vi besluttede at sonificere dataene, og så snart vi lyttede til det, vi kunne høre mønsteret. "

Henry, som har en baggrund i musik, siger det giver mening, givet hjernens naturlige lydbehandlingskræfter.

"Det menneskelige øre er bedre til mønstergenkendelse end øjet er, "Sagde Henry." Hvis du interagerer med et organ, der er bedre, du kan finde mønstre, der ikke er indlysende. "

Lige siden, han har sonificeret vibrationer fra forskellige materialer som en måde at udforske deres betydning på.

"Når du lytter til højttaleren, magneten gør de samme bevægelser som atomet gør, " han sagde.

At forvandle atomegenskaber til lyd kan også være en effektiv måde at få eleverne interesseret i fysik og materialevidenskab. Som en del af hans NSF CAREER -pris, Henry har stået i spidsen for et sommertilbudsprogram, hvor afroamerikanere og kvinder studerer, musiklærere på gymnasiet, og gymnasieelever arbejder på at konvertere atomernes vibrationer til lydfiler.

De vil generere resultater for hele det periodiske system og formidle deres fund gennem en mobilapp, der lader dig lytte til hvert element.

Enkeltpersoner vil kunne bruge mobilappen til at lave musik fra disse lyde, giver en ny måde for offentligheden at lære og værdsætte skønheden i kemi.

"Fremgangsmåden ved brug af sonificering er temmelig generel og kan være meningsfuld for mange områder, da den udnytter en grundlæggende egenskab ved menneskelig hørelse versus syn, "Sagde Henry." Forhåbentlig vil vores applikation udløse mere brug inden for videnskab og teknik. "