На Земле такого нет: инопланетный минерал обладает уникальными физическими свойствами

В новом исследовании международная группа ученых описала необычные свойства образца тридимита кремния — внеземной формы диоксида кремния, полученной из метеорита, упавшего на территории Германии еще в 1724 году. 

Ключевой уникальностью этого минерала является то, что он не соответствует привычным нам законам теплопроводности. Тридимит кремния одинаково сохраняет тепло при нагревании до разных температур. Это делает его перспективным для промышленного использования. 

Группа ученых из Школы инженерии и прикладных наук Фонда Фу при Колумбийском университете под руководством профессора Микеле Симончелли еще в 2019 году вывела единое уравнение, описывающее распространение тепла как в кристаллах, так и через стекло. Это уравнение описывает промежуточное поведение дефектных или частично неупорядоченных материалов, как те, что используются в термоэлектриках для рекуперации отработанного тепла, перовскитных солнечных батареях и термобарьерных покрытиях для тепловых экранов.

С помощью своего уравнения исследователи изучили материал на основе диоксида кремния и предсказали, что его внеземная форма — тридимит будет подобна гибридному материалу — кристаллическому стеклу. Они предсказали, что теплопроводность тридимита будет оставаться неизменной и не будет зависеть от температуры.

Команда Симончелли сотрудничала с экспериментальными группами под руководством Этьена Балана, Даниэля Фурнье и Массимилиано Маранголо из Сорбонны. Чтобы подтвердить свои прогнозы, исследователи провели эксперимент с образцом кремнезема тридимита из метеорита, упавшего в Штайнбахе в 1724 году.

Результаты подтвердили гипотезу. Этот метеоритный тридимит действительно имеет атомную структуру, промежуточную между кристаллом и стеклом. Его теплопроводность остается практически постоянной в диапазоне температур от — 193°С до 106,8°С. 

Этот минерал находят не только в метеоритах, а также на поверхности Марса. Интересно также то, что уникальные атомные структуры тридимита кремния нельзя отнести ни к кристаллическим, ни к стеклянным. Кристаллы, как считается, имеют упорядоченную атомную решетку, а стекло имеет неупорядоченную, аморфную структуру. Таким образом тридимит кремния представляет собой нечто среднее между ними. 

Теплопроводность каждого материала также определяется его атомной структурой. Исследователи подчеркивают, что теплопроводность кристаллов при нагревании обычно снижается, а стекла — увеличивается, однако теплопроводность тридимита кремния остается неизменной. 

По мнению исследователей, аналогичные тридимитовые материалы можно использовать для более эффективного контроля экстремальных температур во время производства стали, при котором ежегодно выбрасывается колоссальный объем углекислого газа. В данный момент, как отмечается в исследовании, производство 1 кг стали приводит к выбросам 1,3 кг CO₂.

Эффективность и влияние на окружающую среду во многом определяются тем, как тепло ведет себя в печах, в частности, за счет теплопроводности огнеупорных материалов, выдерживающих экстремальные температуры. Исследование предполагает, что эта независимая от температуры проводимость возникает в результате баланса между корпускулярным переносом тепла в кристаллах и волновым туннелированием в стекле. 

Кроме того, фундаментальное понимание теплового потока в этих гибридных кристалло-стеклянных материалах также обещает пролить свет на поведение других возбуждений в твердых телах, таких как электроны, переносящие заряд, и магноны, переносящие спин.

Результаты исследования опубликованы в журнале PNAS 

Источник: Futurism