Ny krydsfænomenteori kunne forudsige effektiviteten af ​​nye materialer

En ny teori om krydsfænomener kunne anvendes til at forudsige, om et nyt materiale ville være effektivt til brug i forskellige applikationer fra forbedrede medicinske ultralyd til mere effektive køleskabe, ifølge en forsker i Penn State.

Krydsfænomener er et systems reaktioner på ydre stimuli. De forekommer i stort set ethvert system, fra kvante- til makroskalaer. Eksistensen af ​​krydsfænomener forklarer, hvordan en ekstern stimulus driver flowet af dele inde i et system, og hvordan systemets funktionalitet og effektivitet afhænger af de flydende deles drivkraft og mobilitet.

"Størstedelen af ​​materialestudier involverer krydsfænomener," sagde Zi-Kui Liu, Dorothy Pate Enright professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab og forfatter til undersøgelsen offentliggjort i Materials Research Letters . "Hvis man opsætter en temperaturgradient hen over et termoelektrisk materiale, vil det generere elektricitet og dermed producere strøm til elektricitet som den, der bruges i NASA-rumfartøjer. Mens hvis man anvender høj elektrisk strøm, kan det få temperaturen til at falde, hvilket kan være nyttigt til køling. Disse er krydsfænomener."

Liu bemærkede, at krydsfænomener er observerbare i både naturlige og menneskedrevne systemer. Et eksempel på et naturligt system er Jorden selv, hvor varmen fra Solen resulterer i alle slags krydsfænomener, herunder fordampning af vand og fotosyntese til vækst af træer og afgrøder. Et eksempel på krydsfænomener i et menneskedrevet system er aktiemarkedet, hvor en ekstern faktor som en krig kan forårsage frygt, hvilket resulterer i, at flere vil sælge aktier og presse aktiekurserne ned og under ekstreme forhold bringe hele markedet. at krydse sin stabilitetsgrænse, hvilket resulterer i et styrt.

Ifølge Liu går hans nye teori om krydsfænomener ud over den fænomenologiske videnskabelige tilgang, hvor observationer i eksperimenter er lavet for at beskrive fænomens forhold til hinanden ud fra det observerede.

"Du kan lave fænomenologiske observationer, men også undre dig over, hvorfor det sker," sagde Liu. "Vi forstår grundloven og siger okay, den observation giver mening. Men man kan også sige nej, den observation var overfladisk, der var noget faktisk anderledes end det, vi troede ville ske, som kræver nærmere undersøgelse. Med en bedre forståelse og endda nyt love, kan man forudsige, hvordan stimuli påvirker et givet system i fremtiden."

Den nye teori involverer, hvad Liu kalder Zentropi-teori. Zentropi er baseret på entropi, den del af termodynamikkens anden lov, der udtrykker målingen af ​​uorden i et system, der opstår over en periode, hvor der ikke anvendes energi til at holde orden. Zentropi overvejer, hvordan entropi opstår over flere skalaer i et system ved at integrere kvantemekanik, statistisk mekanik og eksperimentelle målinger af termodynamik.

"Vores arbejde og andres arbejde har etableret metoder til at forudsige kinetiske koefficienter, hvilket betyder mobilitet, baseret på energetik, dvs. termodynamik," sagde Liu. "Og det nuværende arbejde med vores nye teori om krydsfænomener indikerer, at krydsfænomenerne skyldes drivkraftens afhængighed af andre uafhængige variable ud over dens konjugerede variabel, dvs. termodynamiske størrelser. Mobiliteten afhænger også af alle uafhængige variable, men ikke i forhold til de almindeligt definerede krydsfænomener. Den fænomenologiske tilgang er ikke baseret på fundamentale og er derfor ikke så stringent."

Denne nye teori om krydsfænomener kan bruges af forskere til at vejlede eksperimentel opdagelse og give en teoretisk forståelse af eksperimentelle observationer. Dette kunne gøre det muligt for forskere at forudsige de bedste måder at udvikle nye materialer med emergent adfærd via kvantemekanik og statistisk mekanik, sagde Liu. Emergent adfærd i et system refererer til karakteristika ved helheden, der er større end summen af ​​dets dele.

Liu pegede på et eksempel baseret på en ultralydstransducer, den håndholdte del af en ultralydsmaskine, der bruges til at detektere et fosters hjerteslag i livmoderen.

"Hjerteslaget vibrerer transduceren, og derefter genererer den elektricitet via ferroelektrik, så du faktisk 'ser' elektricitet på skærmen som et billede af babyen," sagde Liu. "Det er krydsfænomener. En mekanisk vibration vil give dig belastning, ikke et klassisk krydsfænomen, det er bare belastning. Men når belastningen omdannes til elektricitet, er det krydsfænomener. Ofte er ultralydsbilleder ikke klare og ret slørede, men hvis vi kan forudsige, hvordan man udvikler bedre materialer for at lave en mere følsom transducer, vil billederne få meget bedre opløsning."

Det næste trin i denne undersøgelse er at forske i, hvordan denne nye teori om krydsfænomener kan bruges som et forudsigelsesværktøj til at muliggøre mere effektiv opdagelse af materialer med emergent adfærd, herunder superledning, ferroelektricitet og ferromagnetisme til anvendelser inden for energikonvertering, køling og sensorer . + Udforsk yderligere

Ny teori om entropi kan løse materialedesignproblemer