Les chercheurs du Laboratoire NOMAD ont récemment élucidé les mécanismes microscopiques fondamentaux permettant de personnaliser les matériaux pour l’isolation thermique. Ce progrès soutient les efforts constants pour améliorer l’efficacité énergétique et la durabilité.
Le rôle du transport de la chaleur est primordial dans diverses applications scientifiques et industrielles, comme la catalyse, les technologies de turbines et les convertisseurs thermiques qui transforment la chaleur perdue en électricité. Notamment dans le cadre de la conservation de l’énergie et du développement de technologies durables, les matériaux à haute capacité d’isolation thermique sont de la plus haute importance.
Ces matériaux permettent de retenir et d’utiliser la chaleur qui serait autrement perdue. Par conséquent, l’amélioration de la conception de matériaux hautement isolants est un objectif de recherche clé pour permettre des applications plus écoénergétiques.
Cependant, concevoir des isolants thermiques efficaces est loin d’être simple, bien que les lois physiques fondamentales qui les sous-tendent soient connues depuis presque un siècle.
À l’échelle microscopique, le transport de la chaleur dans les semi-conducteurs et les isolants était compris en termes d’oscillation collective des atomes autour de leurs positions d’équilibre dans le réseau cristallin. Ces oscillations, appelées « phonons » dans le domaine, impliquent des zillions d’atomes dans des matériaux solides et couvrent donc de grandes échelles spatiales et temporelles, presque macroscopiques.
Dans une publication conjointe récente dans Physical Review B (Editors Suggestions) et Physical Review Letters, les chercheurs du Laboratoire NOMAD de l’Institut Fritz Haber ont amélioré les possibilités de calcul pour calculer les conductivités thermiques sans apport expérimental avec une précision sans précédent.
Ils ont démontré que pour les isolants thermiques forts, l’image du phonon mentionnée ci-dessus n’est pas appropriée.
À l’aide de calculs à grande échelle sur des superordinateurs de la Société Max Planck, de l’Alliance de superinformatique du Nord de l’Allemagne et du Centre de superinformatique de Jülich, ils ont analysé plus de 465 matériaux cristallins, pour lesquels la conductivité thermique n’avait pas encore été mesurée.
Outre la découverte de 28 isolants thermiques forts, six d’entre eux présentant une conductivité thermique ultra-faible comparable à celle du bois, cette étude a mis en lumière un mécanisme généralement négligé qui permet de réduire systématiquement la conductivité thermique.
Nous avons observé la formation temporaire de structures de défauts qui influencent massivement le mouvement atomique pendant une très courte période », déclare le Dr Florian Knoop (maintenant à l’Université de Linköping), premier auteur des deux publications. « De tels effets sont généralement négligés dans les simulations de conductivité thermique, puisque ces défauts sont si éphémères et si localisés microscopiquement par rapport aux échelles typiques de transport de la chaleur, qu’ils sont supposés être insignifiants. Cependant, les calculs effectués ont montré qu’ils déclenchent des conductivités thermiques plus faibles », ajoute le Dr Christian Carbogno, un auteur principal des études.
Ces découvertes pourraient offrir de nouvelles opportunités pour affiner et concevoir des isolants thermiques à l’échelle nanométrique grâce à l’ingénierie des défauts, contribuant potentiellement aux progrès de la technologie écoénergétique.
Légende illustration : Formation temporaire d’une paire de défauts dans l’iodure de cuivre. Bien que ces défauts ne survivent que quelques picosecondes, c’est-à-dire un trillionième de seconde, ils influencent considérablement les processus macroscopiques de transport de la chaleur. © Florian Knoop, NOMAD Laboratory
