Håndtag og huller i abstrakte rum:Hvordan et materiale leder elektricitet bedre

En kugle og en terning kan deformeres til hinanden uden snit eller sting. Et krus og et glas kan ikke fordi, at deformere den første til den anden, håndtaget skal brydes. Topologi er den gren af ​​matematikken, der formaliserer denne forskel mellem krus og glas, udvider det også til abstrakte rum med mange dimensioner. En ny teori udviklet af forskere ved SISSA i Trieste er lykkedes med at etablere et nyt forhold mellem tilstedeværelsen eller fraværet af 'håndtag' i rummet af arrangementerne af atomer og molekyler, der udgør et materiale, og sidstnævntes tilbøjelighed til at lede elektricitet. Ifølge denne teori, isoleringsmaterialerne 'udstyret med håndtag' kan lede elektricitet såvel som metaller, samtidig med at de typiske egenskaber for isolatorer bevares, såsom gennemsigtighed.

Forskningen, som netop er blevet offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgang X , er det seneste fra topologiens fascinerende og blomstrende verden, en abstrakt disciplin, der giver et potent håndtag (pun intended!) til nogle af stoffets mest eksotiske egenskaber. På denne måde forskere ved Trieste-skolen har undersøgt, hvordan man nøje kan vurdere ladningstransporten og strømmene i generiske ioniske væsker, i overensstemmelse med materialets kvantenatur.

De har således udviklet en teori til at forklare fysiske fænomener, som har været kendt i mere end et århundrede, men som indtil nu manglede en stringent fortolkningsgrundlag og forudsigelsesramme, derved lægge grundlaget for store teknologiske udviklinger, for eksempel inden for termoelektriske materialer.

Metaller og mineralvand, refleksion og gennemsigtighed

"Vi opdeler normalt materialer i ledere og isolatorer efter deres tilbøjelighed til at lede elektricitet eller ej, "forklar forskningsforfatterne Paolo Pegolo, Federico Grasselli og Stefano Baroni. "I et metal, som er en typisk leder, nogle elektroner bevæger sig frit inden for det ioniske krystalgitter. Imidlertid, nogle væsker, såsom mineralvand, også lede elektricitet, takket være transporten af ​​ladede ioner, der er opløst i dem. I dette tilfælde, vi taler om ioniske ledere, som er gennemsigtige, mens metaller er reflekterende." Ioniske væsker var i fokus for den nylige undersøgelse. "Vi ønskede at udvikle en teori baseret på atomernes kvantenatur og i stand til at beskrive ladningstransport i denne type ledere" forklarer forskerne. "En god forklaring af fænomenet kunne også være nyttigt til at skabe nye materialer med hidtil usete elektriske egenskaber."

Topologi i fysikkens tjeneste

De lærde har lånt topologiens matematiske værktøjer. Pegolo, Grasselli og Baronis teori har således forbundet transport i ioniske væsker med eksistensen i et abstrakt rum af strukturer, der præsenterer huller eller håndtag. "Hvis disse strukturer eksisterer, det er muligt at transportere elektroner uden at flytte ionerne, således en væsentlig forbedring af et materiales elektriske ledningsegenskaber, mens det efterlader det ikke-metallisk og derfor gennemsigtigt. I mangel af huller eller håndtag, elektronerne forbliver bundet til deres atom, og ledningen er mindre effektiv." "Disse fænomener, " fortsætter forskerne "har været kendt i fysik i mindst hundrede år. Vores forskning giver dem et elegant og kraftfuldt matematisk fundament og en pålidelig teoretisk støttestruktur."

Mulig teknologisk udvikling

Denne teori finder anvendelse i videnskaben om termoelektriske materialer, som er så meget desto mere effektive, jo mere de er i stand til at garantere ledningen af ​​elektricitet uden at blive varmet op. Forskerne konkluderer, "De materialer, der er beskrevet i denne teori, har ikke metalliske egenskaber og favoriserer derfor termisk isolering, men tilstedeværelsen af ​​elektroner, der er tilstrækkeligt mobile til at blive transporteret, øger deres elektriske ledningsevne. Begge er vigtige egenskaber, som på det teknologiske niveau, kunne i høj grad bidrage til udviklingen af ​​mere effektive og avancerede enheder."

Videnskaben om elektrolytmaterialer kan også drage fordel af resultaterne af denne forskning, i, at bedre forståelse af ledning i fravær af metallicitet kan føre til designbatterier, der er effektive og elektrokemisk stabile.