Värme från solen resulterar i olika exempel på korsfenomen som avdunstning av vatten och fotosyntes för tillväxt av träd och grödor. Kredit:Elizabeth Flores-Gomez Murray. Alla rättigheter reserverade
En ny teori om korsfenomen skulle kunna användas för att förutsäga om ett nytt material skulle vara effektivt för användning i olika tillämpningar från förbättrade medicinska ultraljud till effektivare kylskåp, enligt en forskare från Penn State.
Korsfenomen är ett systems svar på yttre stimuli. De förekommer i praktiskt taget alla system, från kvant- till makroskalor. Förekomsten av korsfenomen förklarar hur en yttre stimulans driver flödet av delar inuti ett system och hur systemets funktionalitet och effektivitet beror på de strömmande delarnas drivkraft och rörlighet.
"Majoriteten av materialstudier involverar tvärfenomen", säger Zi-Kui Liu, Dorothy Pate Enright professor i materialvetenskap och teknik och författare till studien publicerad i Materials Research Letters . "Om du sätter upp en temperaturgradient över ett termoelektriskt material kommer det att generera elektricitet och på så sätt producera ström för elektricitet som den som används i NASAs rymdfarkoster. Även om du applicerar hög elektrisk ström kan det få temperaturen att sjunka, vilket kan vara användbar för kylning. Dessa är tvärfenomen."
Liu noterade att korsfenomen är observerbara i både naturliga och människodrivna system. Ett exempel på ett naturligt system är själva jorden där värmen från solen resulterar i alla typer av korsfenomen, inklusive avdunstning av vatten och fotosyntes för tillväxt av träd och grödor. Ett exempel på korsfenomen i ett människodrivet system är aktiemarknaden, där en extern faktor som ett krig kan orsaka rädsla, vilket resulterar i att fler människor vill sälja aktier och pressa ned aktiekurserna och under extrema förhållanden föra hela marknaden. att passera dess stabilitetsgräns, vilket resulterar i en krasch.
Enligt Liu går hans nya korsfenomenteori bortom det fenomenologiska vetenskapliga tillvägagångssättet, där observationer i experiment görs för att beskriva fenomenens förhållande till varandra utifrån vad som observeras.
"Du kan göra fenomenologiska observationer men också undra varför det händer," sa Liu. "Vi förstår grundlagen och säger okej, att observation är vettigt. Men man kan också säga nej, den observationen var ytlig, det var något som faktiskt var annorlunda än vad vi trodde skulle hända som kräver ytterligare utredning. Med en bättre förståelse och till och med nytt lagar, kan man förutsäga hur stimuli påverkar ett givet system i framtiden."
Den nya teorin involverar vad Liu kallar Zentropi teori. Zentropi är baserad på entropi, den del av termodynamikens andra lag som uttrycker måttet på oordningen i ett system som uppstår under en tidsperiod när det inte finns någon energi som appliceras för att hålla ordning. Zentropi överväger hur entropi uppstår över flera skalor inom ett system genom att integrera kvantmekanik, statistisk mekanik och experimentella mätningar av termodynamik.
"Vårt arbete och andras arbete har etablerat metoder för att förutsäga kinetiska koefficienter, vilket betyder rörlighet, baserade på energetik, det vill säga termodynamik," sa Liu. "Och det föreliggande arbetet med vår nya teori om korsfenomen indikerar att korsfenomenen beror på drivkraftens beroende av andra oberoende variabler utöver dess konjugerade variabel, d.v.s. termodynamiska storheter. Mobiliteten beror också på alla oberoende variabler, men inte i termer av de allmänt definierade korsfenomenen. Det fenomenologiska tillvägagångssättet är inte baserat på grundläggande principer och är därför inte lika rigoröst."
Denna nya teori om korsfenomen kan användas av forskare för att vägleda experimentella upptäckter och ge en teoretisk förståelse av experimentella observationer. Detta kan göra det möjligt för forskare att förutsäga de bästa sätten att utveckla nya material med framväxande beteende via kvantmekanik och statistisk mekanik, sa Liu. Emergent beteende i ett system hänvisar till egenskaper hos helheten som är större än summan av dess delar.
Liu pekade på ett exempel baserat på en ultraljudsgivare, den handhållna delen av en ultraljudsmaskin, som används för att upptäcka ett fosters hjärtslag i livmodern.
"Hjärtslaget vibrerar givaren och sedan genererar den elektricitet via ferroelektrik, så att du faktiskt "ser" elektricitet på skärmen som en bild av barnet," sa Liu. "Det är korsfenomen. En mekanisk vibration kommer att ge dig belastning, inte ett klassiskt korsfenomen, det är bara töjning. Men när belastningen omvandlas till elektricitet är det korsfenomen. Ofta är ultraljudsbilder inte tydliga och ganska suddiga, men om vi kan förutsäga hur man utvecklar bättre material för att göra en känsligare givare, kommer bilderna att få mycket bättre upplösning."
Nästa steg i denna studie är att undersöka hur denna nya teori om korsfenomen kan användas som ett prediktivt verktyg för att möjliggöra mer effektiv upptäckt av material med framväxande beteenden inklusive supraledning, ferroelektricitet och ferromagnetism för tillämpningar inom energiomvandling, kylning och sensorer . + Utforska vidare
