科学家震惊于打破热学规律的外星矿物

一块有着数百年历史的陨石中发现的稀有矿物 —— 甚至在火星上也发现了它 —— 以其奇特的热行为震惊了科学家。

这种混合材料既非完全的晶体，也非完全的玻璃，其导热方式与任何已知物质都不同：其导热能力在温度变化时保持恒定，而非升高或降低。

热传导在现代技术中的重要性

晶体和玻璃以完全不同的方式处理热量，这一特性在许多现代技术中扮演着重要角色。这些技术涵盖广泛领域，从使电子产品更小、更高效，到回收废热产生能源，再到延长航空航天领域使用的热屏蔽层寿命。

要提升这些技术背后材料的性能和耐用性，关键在于理解它们的化学组成和原子排列（例如，结晶态、玻璃态或纳米结构）如何影响其导热方式。哥伦比亚大学工程与应用科学学院的助理教授米歇尔·西蒙切利（Michele Simoncelli）从第一性原理出发研究这一挑战。用亚里士多德的话说，他从“事物被认知的第一本原”开始工作，即从量子力学的核心方程出发，并应用机器学习方法以极高的精度求解这些方程。

陨石、火星与混合材料的发现

在7月11日发表于《美国国家科学院院刊》的研究成果中，西蒙切利与瑞士洛桑联邦理工学院的尼古拉·马尔扎里（Nicola Marzari）以及罗马萨皮恩扎大学的弗朗切斯科·毛里（Francesco Mauri）合作，预测了一种能够融合晶体和玻璃热行为的材料的存在。随后，由巴黎索邦大学的艾蒂安·巴兰（Etienne Balan）、达尼埃尔·富尼耶（Daniele Fournier）和马西米利亚诺·马兰戈洛（Massimiliano Marangolo）领导的研究小组通过实验测量证实了这一预测。

这种独特的材料最初在陨石中被发现，也在火星上被检测到。其异常导热能力背后的物理学原理，可能为设计能够承受极端温差的材料开辟新途径，同时也为行星的热历史提供了线索。

晶体 vs. 玻璃：原子结构如何影响热量

热传导取决于材料是晶态（具有有序的原子晶格）还是玻璃态（具有无序、非晶态结构），这影响了量子层面的热流方式 —— 粗略地说，晶体的热导率通常随温度升高而降低，而玻璃的热导率则随加热而升高。

2019年，西蒙切利、尼古拉·马尔扎里和弗朗切斯科·毛里推导出了一个单一方程，该方程捕捉了晶体和玻璃中观察到的相反热导率趋势 —— 而最重要的是，它也描述了有缺陷或部分无序材料的中间行为，例如用于废热回收的热电材料、钙钛矿太阳能电池以及热屏蔽用热障涂层中的材料。

陨石二氧化硅揭示罕见的热恒定性

利用这个方程，他们研究了由二氧化硅（沙子主要成分之一）制成的材料中原子结构与热导率之间的关系。他们预测，一种特定的二氧化硅“鳞石英”（tridymite）形态（在20世纪60年代被描述为陨石的典型特征）将表现出混合晶-玻璃材料的标志性特征：其热导率随温度变化而保持不变。这种不寻常的热输运行为类似于热膨胀中的因瓦效应（invar effect），该效应曾于1920年获得诺贝尔物理学奖。

这促使该团队联系了法国的艾蒂安·巴兰、达尼埃尔·富尼耶和马西米利亚诺·马兰戈洛领导的实验小组。该小组获得了巴黎国家自然历史博物馆的特许，对一块取自1724年坠落在德国施泰因巴赫（Steinbach）陨石的二氧化硅鳞石英样本进行实验。他们的实验证实了预测：陨石鳞石英的原子结构介于有序晶体和无序玻璃之间，并且其热导率在实验可及的80开尔文（K）到380开尔文（K）的温度范围内基本保持恒定。

经过进一步研究，该团队还预测这种材料可能形成于钢铁生产炉窑所用耐火砖的长期（十年以上）热老化过程中。钢铁是现代社会最重要的材料之一，但其生产是高碳密集型的：每生产1公斤钢铁约排放1.3公斤二氧化碳，全球每年近10亿吨的产量约占美国碳排放量的7%。由鳞石英衍生的材料可用于更有效地控制钢铁生产中的高温，有助于减少钢铁行业的碳足迹。

人工智能、量子物理与热控制的未来

在这篇新的《美国国家科学院院刊》论文中，西蒙切利采用了机器学习方法来克服传统第一性原理方法的计算瓶颈，并以量子级别的精度模拟了影响热传输的原子特性。控制热量流经混合晶-玻璃材料的量子机制也可能帮助我们理解固体中其他激发的行为，例如携带电荷的电子和携带自旋的磁振子（magnons）。对这些主题的研究正在塑造新兴技术，包括由热电材料供电的可穿戴设备、神经形态计算以及利用磁激发进行信息处理的自旋电子器件。

西蒙切利在哥伦比亚大学的研究小组正在围绕三大核心支柱探索这些主题：构建用于预测实验观测值的第一性原理理论框架；开发用于定量准确预测材料性质的人工智能模拟方法；应用理论和方法来设计和发现材料，以克服特定的工业或工程挑战。

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