Se podría aplicar una teoría novedosa de fenómenos cruzados para predecir si un nuevo material sería efectivo para su uso en diversas aplicaciones, desde ultrasonidos médicos mejorados hasta refrigeradores más eficientes, según un investigador de Penn State.

Los fenómenos cruzados son las respuestas de un sistema a estímulos externos. Ocurren en prácticamente cualquier sistema, desde escalas cuánticas hasta macro. La existencia de fenómenos cruzados explica cómo un estímulo externo impulsa el flujo de partes dentro de un sistema y cómo la funcionalidad y eficacia del sistema dependen de la fuerza motriz y la movilidad de las partes que fluyen.

"La mayoría de los estudios de materiales involucran fenómenos cruzados", dijo Zi-Kui Liu, profesora Dorothy Pate Enright de ciencia e ingeniería de materiales y autora del estudio publicado en Materials Research Letters. . "Si configura un gradiente de temperatura a través de un material termoeléctrico, generará electricidad y, por lo tanto, producirá energía para electricidad como la que se usa en las naves espaciales de la NASA. Mientras que si aplica una corriente eléctrica alta, puede hacer que la temperatura baje, lo que podría ser útil para refrigeración Estos son fenómenos cruzados ".

Liu señaló que los fenómenos cruzados son observables tanto en los sistemas naturales como en los impulsados ​​por humanos. Un ejemplo de un sistema natural es la Tierra misma, donde el calor del Sol da como resultado todo tipo de fenómenos cruzados, incluida la evaporación del agua y la fotosíntesis para el crecimiento de árboles y cultivos. Un ejemplo de fenómenos cruzados en un sistema impulsado por humanos es el mercado de valores, donde un factor externo, como una guerra, puede causar miedo, lo que da como resultado que más personas quieran vender acciones y empujar a la baja los precios de las acciones, y en condiciones extremas llevar a todo el mercado. cruzar su límite de estabilidad, resultando en un choque.

Según Liu, su nueva teoría de fenómenos cruzados va más allá del enfoque científico fenomenológico, donde se realizan observaciones en experimentos para describir la relación de los fenómenos entre sí en función de lo que se observa.

"Puedes hacer observaciones fenomenológicas pero también preguntarte por qué sucede", dijo Liu. "Entendemos la ley fundamental y decimos que está bien, que la observación tiene sentido. Pero también se puede decir que no, que la observación fue superficial, que en realidad hubo algo diferente de lo que pensábamos que sucedería y que requiere más investigación. Con una mejor comprensión e incluso nuevos leyes, uno puede predecir cómo los estímulos afectarán a un sistema dado en el futuro".

La nueva teoría involucra lo que Liu llama la teoría Zentropy. Zentropy se basa en la entropía, la parte de la segunda ley de la termodinámica que expresa la medida del desorden de un sistema que ocurre durante un período de tiempo cuando no se aplica energía para mantener el orden. Zentropy considera cómo se produce la entropía en múltiples escalas dentro de un sistema mediante la integración de la mecánica cuántica, la mecánica estadística y las medidas experimentales de la termodinámica.

"Nuestro trabajo y el trabajo de otros ha establecido métodos para predecir los coeficientes cinéticos, es decir, la movilidad, basados ​​en la energía, es decir, la termodinámica", dijo Liu. "Y el presente trabajo sobre nuestra nueva teoría de los fenómenos cruzados indica que los fenómenos cruzados se deben a la dependencia de la fuerza motriz de otras variables independientes además de su variable conjugada, es decir, cantidades termodinámicas. La movilidad también depende de todas las variables independientes, pero no en términos de los fenómenos cruzados comúnmente definidos. El enfoque fenomenológico no se basa en fundamentos y, por lo tanto, no es tan riguroso ".

Los investigadores pueden utilizar esta novedosa teoría de los fenómenos cruzados para guiar el descubrimiento experimental y proporcionar una comprensión teórica de las observaciones experimentales. Esto podría permitir a los investigadores predecir las mejores formas de desarrollar nuevos materiales con comportamiento emergente a través de la mecánica cuántica y la mecánica estadística, dijo Liu. Emergent behavior in a system refers to characteristics of the whole that are greater than the sum of its parts.

Liu pointed to one example based on an ultrasound transducer, the hand-held part of an ultrasound machine, that is used to detect a fetus's heartbeat in the womb.

"The heartbeat vibrates the transducer then it generates electricity via ferroelectrics, so you actually 'see' electricity on the screen as an image of the baby," Liu said. "That's cross phenomena. A mechanical vibration will give you strain, not a classical cross phenomenon, that's just strain. But when the strain is converted to electricity, that's cross phenomena. Often ultrasound images are not clear and rather blurry, but if we can predict how to develop better materials to make a more sensitive transducer, the images will get much better resolution."

The next step in this study is to research how this novel theory of cross phenomena can be used as a predictive tool to enable more efficient discovery of materials with emergent behaviors including superconductivity, ferroelectricity, and ferromagnetism for applications in energy conversion, refrigeration, and sensors. + Explora más

Novel theory of entropy may solve materials design issues