Un equipo de investigación de la Universidad de Tohoku ha descubierto que las diferentes conductividades térmicas exhibidas por un material amorfo con la misma composición son atribuibles a los tamaños de los anillos atómicos en su estructura atómica. Este es uno de los primeros estudios que demuestra que las características estructurales de los materiales amorfos pueden correlacionarse con sus propiedades físicas.
El artículo está publicado en la Revista Internacional de Transferencia de Calor y Masa. .
Ya es factible sintetizar materiales amorfos con las mismas composiciones pero diferentes conductividades térmicas. Sin embargo, los factores estructurales responsables de las diferencias en la conductividad térmica aún no se habían identificado debido a la falta de métodos analíticos adecuados.
Había sido imposible identificar diferencias estructurales entre materiales amorfos de germanio (Ge) con diferentes conductividades térmicas basándose únicamente en la observación con microscopio electrónico de transmisión (TEM) de alta resolución. El equipo de investigación analizó imágenes TEM de material Ge amorfo utilizando técnicas de ciencia de datos (análisis de datos topológicos y análisis de componentes principales) e identificó diferencias estructurales entre los materiales.
El equipo descubrió que las estructuras atómicas de muestras de películas delgadas depositadas a temperaturas más bajas tendían a estar dominadas por anillos atómicos más pequeños (Ge25), mientras que las muestras depositadas a temperaturas más altas contenían proporciones más altas de anillos atómicos más grandes (Ge300).
Teóricamente se había demostrado que los anillos atómicos más grandes estaban asociados con una mayor conductividad térmica. Este estudio encontró que el Ge300 tenía una conductividad térmica mayor que el Ge25, resultados consistentes con la evidencia teórica.
Las técnicas de ciencia de datos desarrolladas en este proyecto de investigación se pueden utilizar para identificar fases metaestables en materiales, una tarea imposible de lograr utilizando técnicas convencionales de análisis estructural. Por lo tanto, se espera que estas técnicas sean útiles en el desarrollo de materiales de control térmico integrados en fases metaestables. También pueden ser útiles para identificar características estructurales asociadas con las propiedades mecánicas, eléctricas y de otro tipo de materiales amorfos, además de sus propiedades térmicas.
Esta investigación fue llevada a cabo por un equipo de investigación formado por Yibin Xu (Líder, Grupo de Materiales Inorgánicos Basados en Datos, Centro de Investigación Básica de Materiales, NIMS) y Kazuto Akagi (Profesor Asociado, Instituto Avanzado de Investigación de Materiales, Universidad de Tohoku). Este trabajo se realizó como parte de un proyecto JST CREST de exploración de materiales desconocidos (supervisor de investigación:profesor Hiroshi Kitagawa).
Más información: Yen-Ju Wu et al, Análisis de datos topológicos de características estructurales basadas en TEM que afectan la conductividad térmica del Ge amorfo, Revista Internacional de Transferencia de Calor y Masa (2023). DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.125012
Proporcionado por el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales
