Giới khoa học sửng sốt trước loại vật chất kỳ bí rơi xuống Trái đất, hé lộ bí mật về cách nhiệt di chuyển trong vũ trụ

Tầm quan trọng của dẫn nhiệt trong công nghệ hiện đại

Trong khoa học vật liệu, tinh thể và thủy tinh vốn xử lý nhiệt theo hai cơ chế trái ngược, yếu tố đóng vai trò nền tảng cho nhiều công nghệ đương đại. Từ việc thu nhỏ thiết bị điện tử, tăng hiệu suất thu hồi nhiệt thải thành năng lượng, đến kéo dài tuổi thọ tấm chắn nhiệt trong hàng không vũ trụ, tất cả đều phụ thuộc vào hiểu biết về cách sắp xếp nguyên tử ảnh hưởng đến truyền nhiệt.

Theo Michele Simoncelli – trợ lý giáo sư tại Đại học Columbia Engineering – nhóm nghiên cứu đã tiếp cận vấn đề từ cơ học lượng tử và ứng dụng trí tuệ nhân tạo để giải chính xác các phương trình nền tảng.

Khám phá từ thiên thạch và sao Hỏa

Trong công trình công bố ngày 11 tháng 7 trên Kỷ yếu Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (PNAS), Simoncelli cùng cộng sự Nicola Marzari (EPFL Lausanne) và Francesco Mauri (Đại học Sapienza, Rome) đã dự đoán sự tồn tại của một vật liệu lai giữa tinh thể và thủy tinh. Dự đoán này sau đó được xác nhận bởi nhóm nghiên cứu của Đại học Sorbonne (Pháp).

Sự gia tăng hỗn loạn trong cấu trúc nguyên tử của vật liệu ảnh hưởng đến khả năng dẫn nhiệt vĩ mô — một đặc tính quan trọng đối với các công nghệ quản lý nhiệt. Các vật liệu được nghiên cứu bao gồm tridymite thiên thạch tinh thể (trái), một pha tridymite với trật tự liên kết tinh thể và hình học liên kết vô định hình (giữa), và thủy tinh silica hoàn toàn vô định hình (phải). Màu đỏ biểu thị oxy (O), màu xanh biểu thị silic (Si), và các sắp xếp tứ diện SiO4 phổ biến được tô sáng màu xanh lam. Nguồn: Phòng thí nghiệm Simoncelli.

Điều đặc biệt là loại vật liệu độc đáo này từng được tìm thấy trong thiên thạch và cả trên sao Hỏa. Cơ chế truyền nhiệt khác lạ của nó hứa hẹn mở ra hướng thiết kế vật liệu mới, chịu được sự chênh lệch nhiệt độ cực lớn và cung cấp manh mối quan trọng về lịch sử nhiệt của các hành tinh.

Silica thiên thạch và tính hằng số nhiệt hiếm gặp

Dựa trên dự đoán từ năm 2019, nhóm nghiên cứu xác định rằng dạng “tridymit” đặc biệt của silicon dioxide – lần đầu mô tả từ những năm 1960 – chính là vật liệu lai nói trên. Mẫu tridymit này được khai thác từ thiên thạch rơi xuống Steinbach, Đức, vào năm 1724 và được Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Paris cho phép nghiên cứu.

Kết quả cho thấy tridymit thiên thạch sở hữu cấu trúc nguyên tử nằm giữa tinh thể có trật tự và thủy tinh vô định hình. Đáng chú ý, độ dẫn nhiệt của nó giữ nguyên trong khoảng từ 80 K đến 380 K – điều hiếm có trong thế giới vật liệu.

Tiềm năng ứng dụng trong công nghiệp thép

Không chỉ mang giá trị khoa học, phát hiện này còn mở ra triển vọng thực tiễn. Nhóm nghiên cứu dự đoán tridymit có thể hình thành trong quá trình lão hóa nhiệt kéo dài hàng thập kỷ trong gạch chịu lửa của lò luyện thép. Trong bối cảnh 1 kg thép sản xuất thải ra 1,3 kg CO₂, với gần 1 tỷ tấn thép mỗi năm chiếm khoảng 7% lượng khí thải carbon tại Hoa Kỳ, vật liệu mới này có thể góp phần kiểm soát tốt hơn nhiệt lượng, qua đó giảm phát thải trong ngành thép.

AI, cơ học lượng tử và tương lai kiểm soát nhiệt

Simoncelli cho biết, nhóm của ông đã dùng học máy để khắc phục hạn chế tính toán của các phương pháp truyền thống, mô phỏng sự truyền nhiệt với độ chính xác cấp lượng tử. Các cơ chế này không chỉ làm sáng tỏ bí ẩn về truyền nhiệt trong vật liệu lai mà còn mở đường cho các công nghệ mới như thiết bị nhiệt điện đeo được, điện toán thần kinh và spintronics.

“Đây mới chỉ là bước khởi đầu. Vật liệu này không chỉ thách thức lý thuyết hiện tại mà còn gợi mở tương lai trong việc kiểm soát nhiệt cho nhiều ngành công nghiệp”, Simoncelli nhấn mạnh.

La Khê (Theo SciTechDaily)