В истории науки редко встречаются открытия, которые способны полностью перевернуть представления о фундаментальных физических процессах. Именно таким открытием стал минерал из метеорита, найденного еще в XVIII веке в Германии. Впоследствии такой же минерал был обнаружен на Марсе. Ученые выяснили, что он ведет себя не так, как все известные минералы земного происхождения. Его теплопроводность остается постоянной при любых изменениях температуры. Такое свойство ставит под сомнение привычные законы теплообмена и открывает огромные перспективы для будущих технологий.
Все материалы на Земле делятся на два больших класса — кристаллы и стекла. У кристаллов атомы выстроены в строгий порядок, и с ростом температуры их теплопроводность падает. У стекол атомы расположены хаотично, и при нагреве теплопроводность, наоборот, увеличивается. Новое же вещество, минерал тридимит, оказался “гибридом” — оно сочетает свойства кристалла и стекла, но не подчиняется ни одной из этих зависимостей. Его теплопроводность не меняется вовсе, что делает его уникальным в масштабах всей известной физики.
Такое поведение объясняется особым строением — атомы тридимита расположены не идеально упорядоченно, как в кристалле, но и не полностью хаотично, как в стекле. Именно промежуточная структура и породила феномен, который ранее считался невозможным. Ученые сравнивают это с “эффектом инвара”, открытым в начале XX века. Тогда обнаружили сплав, почти не расширяющийся при нагреве, что принесло Нобелевскую премию по физике.
Необычный минерал впервые был зафиксирован в составе метеорита, упавшего в Германии в 1724 году. Позднее его следы нашли и на Марсе, что указывает на его космическое происхождение. Для подтверждения теоретических расчетов ученые из Сорбонны получили доступ к образцу из Национального музея естественной истории в Париже и провели серию экспериментов. Они показали, что теплопроводность минерала действительно остается неизменной в широком диапазоне температур от –190 до +100 °C.
Это открытие имеет не только фундаментальное, но и прикладное значение. Уже сегодня исследователи считают, что подобные материалы можно использовать в промышленности, где требуется выдерживать экстремальные перепады температур. Один из примеров — производство стали, которое связано с огромными затратами энергии и колоссальными выбросами углекислого газа. Минералы с “инопланетными” свойствами могут помочь эффективнее контролировать температуру, и тем самым снизить углеродный след металлургии, а также повысить качество стали.
Кроме того, контроль теплопередачи лежит в основе множества современных технологий. От качества тепловых экранов зависят надежность космических кораблей и самолетов, а от эффективности термоэлектриков — способность улавливать и использовать энергию, теряемую впустую. Кроме того, новые материалы могут изменить разработку микроэлектроники, где перегрев чипов остается одной из главных проблем.
Как минерал тридимит может быть использован промышленности. Такой же метеорит ученые обнаружили на поверхности Марса. Фото.
Такой же метеорит ученые обнаружили на поверхности Марса
Группа исследователей под руководством Микеле Симончелли из Колумбийского университета использовала методы квантовой физики и машинного обучения, чтобы описать поведение минерала на уровне атомов. Их модель помогает предсказывать, как изменения в структуре вещества будут влиять на перенос тепла, и на этой основе создавать материалы будущего. Среди перспективных направлений — носимые гаджеты, которые могут работать на тепле человеческого тела, нейроморфные компьютеры, имитирующие работу мозга, и спинтронные устройства, где управление информацией основано на магнитных свойствах частиц.
Подводя итоги, можно сказать, что обнаружение “инопланетного” минерала, нарушающего привычные законы теплообмена, открывает перед человечеством новые горизонты. А еще его уникальные свойства могут объяснить тепловую историю планет. Это редкий пример того, как находка из космоса способна изменить повседневную жизнь на Земле, и возможно, в ближайшие десятилетия мы увидим первые практические применения этого материала.