Il controllo del calore gioca un ruolo cruciale in una serie di tecnologie, dalla miniaturizzazione e l'efficienza dei dispositivi elettronici, ai sistemi di recupero del calore residuo, alla durata delle schermature termiche per le applicazioni aerospaziali. Un gruppo di ricercatori si è avvicinato a questa problematica partendo dalle leggi fondamentali della fisica quantistica, per poi sfruttare tecniche di apprendimento automatico per risolverle con precisione quantitativa.
Meteoriti e Marte: una scoperta sconvolgente
Esplorando la relazione tra struttura atomica e conducibilità termica in materiali a base di biossido di silicio, componente principale della sabbia, i ricercatori hanno predetto che una particolare forma di "tridimita" del biossido di silicio, tipica dei meteoriti, mostrerebbe le caratteristiche di un materiale ibrido di cristallo-vetro, con una conducibilità termica che rimane invariata con la temperatura. Il comportamento termo-trasportatore di questo materiale è stato definito "inusuale".
Grazie a un’indagine più approfondita, il team guidato dal professor Michele Simoncelli della Columbia Engineering ha scoperto che questo materiale potrebbe formarsi a seguito dell’invecchiamento termico prolungato dei mattoni refrattari utilizzati nei forni per la produzione dell’acciaio. Considerando che quest’ultima è una delle principali fonti di emissioni di carbonio - con quasi un miliardo di tonnellate prodotte ogni anno, pari a circa il 7% delle emissioni statunitensi - i materiali derivati dalla tridimite potrebbero offrire una soluzione più efficiente per gestire le alte temperature coinvolte nel processo, contribuendo così a ridurre l’impronta di carbonio dell’intero settore siderurgico.
Da teorie a base di AI a tecnologie del mondo reale
Nel nuovo studio pubblicato dall’Academy of Sciences, Simoncelli e il suo team hanno utilizzato tecniche di apprendimento automatico per superare i limiti computazionali dei metodi tradizionali e simulare con precisione quantistica le proprietà atomiche che regolano il trasporto del calore. I meccanismi quantistici alla base del flusso termico nei materiali ibridi cristallo-vetro potrebbero inoltre offrire nuove chiavi di lettura per comprendere il comportamento di altre eccitazioni nei solidi, come gli elettroni che trasportano carica e i magnoni responsabili del trasporto di spin.