На Землі такого немає: інопланетний мінерал має унікальні фізичні властивості

У новому дослідженні міжнародна група науковців описала незвичайні властивості зразка тридиміту кремнію — позаземної форми діоксиду кремнію, отриманої з метеорита, який впав на території Німеччини ще у 1724 році. 

Ключовою унікальністю цього мінералу є те, що він не відповідає звичним нам законам теплопровідності. Тридиміт кремнію однаково зберігає тепло під час нагрівання до різних температур. Це робить його перспективним для промислового використання. 

Група науковців зі Школи інженерії та прикладних наук Фонду Фу при Колумбійському університеті під керівництвом професора Мікеле Сімончеллі ще у 2019 році вивела єдине рівняння, що описує розповсюдження тепла як у кристалах, так і через скло. Це рівняння описує проміжну поведінку дефектних або частково невпорядкованих матеріалів, як ті, що використовуються в термоелектриках для рекуперації відпрацьованого тепла, перовскітних сонячних батареях і термобар’єрних покриттях для теплових екранів.

За допомогою свого рівняння дослідники вивчили матеріал на основі діоксиду кремнію і передбачили, що його позаземна форма — тридиміт буде подібна до гібридного матеріалу — кристалічного скла. Вони передбачили, що теплопровідність тридиміту залишатиметься незмінною і не залежатиме від температури.

Команда Сімончеллі співпрацювала з експериментальними групами під керівництвом Етьєна Балана, Даніеля Фурньє та Массіміліано Маранголо з Сорбони. Щоб підтвердити свої прогнози, дослідники провели експеримент із зразком кремнезему тридиміту з метеориту, що впав у Штайнбасі у 1724 році.

Результати підтвердили гіпотезу. Цей метеоритний тридиміт дійсно має атомну структуру, проміжну між кристалом і склом. Його теплопровідність залишається практично постійною у діапазоні температур від – 193°С до 106,8°С. 

Цей мінерал знаходять не тільки у метеоритах, а також на поверхні Марсу. Цікаво також те, що унікальні атомні структури тридиміту кремнію не можна віднести а ні до кристалічних, а ні до скляних. Кристали, як вважається, мають упорядковану атомну гратку, а скло має невпорядковану, аморфну структуру. Таким чином тридиміт кремнію являє собою щось середнє між ними. 

Теплопровідність кожного матеріалу також визначається його атомною структурою. Дослідники підкреслюють, що теплопровідність кристалів під час нагрівання зазвичай знижується, а скла — збільшується, однак теплопровідність тридиміту кремнію залишається незмінною. 

На думку дослідників, аналогічні тридимітові матеріали можна використовувати для більш ефективного контролю екстремальних температур під час виробництва сталі, при якому щорічно викидається колосальний обсяг вуглекислого газу. У даний момент, як зазначається у дослідженні, виробництво 1 кг сталі призводить до викидів 1,3 кг CO₂.

Ефективність та вплив на навколишнє середовище багато в чому визначаються тим, як тепло поводиться в печах, зокрема, за рахунок теплопровідності вогнетривких матеріалів, що витримують екстремальні температури. Дослідження передбачає, що ця незалежна від температури провідність виникає в результаті балансу між корпускулярним перенесенням тепла в кристалах та хвильовим тунелюванням у склі. 

Крім того, фундаментальне розуміння теплового потоку в цих гібридних кристало-скляних матеріалах також обіцяє пролити світло на поведінку інших збуджень у твердих тілах, таких як електрони, що переносять заряд, і магнони, що переносять спин.

Результати дослідження опубліковані у журналі PNAS 

Джерело:  Futurism