Dans un monde en quête constante de progrès technologiques, des cristaux aux propriétés singulières, capables de conduire les électrons librement mais pas la chaleur, suscitent un grand intérêt. Une équipe de chercheurs a élaboré une méthode permettant de découvrir et développer ces matériaux précieux.
Un regard neuf sur la conductivité thermique
À l’inverse du verre, qui présente une faible conductivité thermique, les cristaux sont généralement de bons conducteurs de chaleur et d’électrons. Cependant, certains d’entre eux se distinguent par une faible conductivité thermique. Les chercheurs se sont donc penchés sur les propriétés de ces matériaux exceptionnels et sur la manière de les développer.
“Nous cherchons à développer des matériaux qui sont très isolants sur le plan thermique, tout en permettant aux électrons de circuler librement et de générer des courants“, a déclaré Vidvuds Ozolins, co-auteur de l’étude.
Bien que ce soit à contre-courant de la nature intrinsèque du cristal, V. Ozolins a souligné que ces matériaux sont particulièrement utiles dans des applications comme la production d’énergie et les revêtements de protection thermique pour les moteurs à réaction.
Vers une compréhension de la faible conductivité thermique
“Cette étude vise à comprendre ce qui est nécessaire pour que le cristal ait une très faible conductivité thermique qui s’approche même des limites du verre“, a expliqué V. Ozolins.
Selon lui, ces propriétés sont généralement déterminées par la manière dont les atomes interagissent entre eux en mode collectif, en tant que phonons.
“Nous avons donc élaboré un modèle théorique permettant d’expliquer comment la faible conductivité thermique apparaît dans les cristaux“, a ajouté V. Ozolins. Ce modèle théorique intègre également des principes applicables aux verres. Pour cette étude, ils ont associé ce modèle à une analyse de données assistée par un réseau de neurones.
“Cela vous indique quels matériaux vous pourriez choisir et manipuler – en usant de quelques tours de passe-passe expérimentaux. Grâce à cela, vous pourriez obtenir un cristal présentant une très faible conductivité thermique.”
La prochaine étape de ce travail, a-t-il déclaré, consiste à effectuer des calculs plus détaillés pour mieux comprendre les propriétés, et à travailler avec des expérimentateurs pour mener davantage d’études sur certains des matériaux que les chercheurs ont identifiés.
Les autres auteurs de l’étude sont Yi XIa, Dale Gaines II, Jiangang He, Zhi Li, Mercouri G. Kanatzidis et Chris Wolverton. Leurs découvertes ont été révélées dans les comptes-rendus de l’Académie Nationale des Sciences (PNAS).
Pour aller plus loin
Ces avancées offrent des perspectives enthousiasmantes mais soulèvent aussi des questions. Si ces cristaux aux propriétés spéciales peuvent révolutionner certains domaines, il faudra aussi tenir compte de leur impact environnemental, de leur coût de production et de leur sécurité d’utilisation.
Les points à connaître
Qu’est-ce qu’un cristal à faible conductivité thermique ?
C’est un cristal qui permet la libre circulation des électrons mais présente une faible capacité à conduire la chaleur.
Pourquoi ces cristaux sont-ils importants ?
Ces cristaux sont intéressants pour diverses applications, notamment la production d’énergie et les revêtements de protection thermique pour les moteurs à réaction.
Comment les chercheurs ont-ils étudié ces cristaux ?
Ils ont élaboré un modèle théorique pour expliquer comment la faible conductivité thermique apparaît dans les cristaux, et l’ont associé à une analyse de données assistée par un réseau de neurones.
Quelle est la prochaine étape dans cette recherche ?
Les chercheurs prévoient de mener des calculs plus détaillés pour mieux comprendre les propriétés de ces cristaux, et de travailler avec des expérimentateurs pour réaliser d’autres études sur les matériaux qu’ils ont identifiés.
[ Rédaction ]
Lien principal : www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2302541120
