Asegun Henry vill avvärja de värsta effekterna av klimatförändringar genom att hitta nya former av förnybar energi och förbättra de material som bidrar till energianvändning.

"Sättet vi producerar el idag förorenar miljön, "sa Henry, en maskinteknikprofessor vid Georgia Tech. "Min forskning är främst inriktad på att omvandla oss från en fossilbränslebaserad infrastruktur till en förnybar eller solbaserad infrastruktur så att vi kan lita på förnybara energiformer som inte alls förorenar världen.

"Jag personligen ser det som att rädda världen."

Det som gör Henrys inställning till energiproblem annorlunda än andra ingenjörer är hans bakgrund inom datormodellering på atomnivå.

"Jag förstår olika processer när det gäller vad som händer på atomnivå, "Sa Henry." Det gör att jag kan utveckla insikter och möjligheter till nya idéer som skiljer sig från andra som kommer från makroskopisk nivå. "

Hans forskning är till stor del intresserad av hur värmetransport fungerar i minsta skala.

I oktober, Henry publicerade resultaten av en studie av amorf kiseldioxid - allmänt känd som glas - i Naturvetenskapliga rapporter som besvarade ett mångårigt mysterium om det dagliga materialet:varför dess värmeledningsförmåga stiger med temperaturen.

Transporten av värme i amorft kisel bestäms av fononernas beteende i materialet. Fononer liknar elektroner eller fotoner, genom att de bär värme, men istället för att härröra från elektromagnetisk strålning eller negativt laddade subatomära partiklar, de är associerade med atomernas kollektiva vibrationer.

Forskare kan exakt förutsäga den termiska ledningsförmågan hos många kristallina material med hjälp av uttryck baserade på den mycket använda "fonongasmodellen". Dock, modellering av värmeöverföring i amorfa material – de som saknar ordningen och periodiciteten hos en kristall – är mer utmanande.

"Till skillnad från kristallina material, där vibrationerna blir kollektiva rörelser som fungerar som ljudvågor, i amorfa material, du får olika slags vibrationer, varav de flesta ser slumpmässiga ut, som den underliggande strukturen, "Förklarade Henry." Man blir till och med liten, lokaliserade vibrationer som bara består av dussintals atomer. "

Dessa små vibrationer var kända för att existera, men ingen hade någonsin bedömt hur mycket de bidrar till värmeöverföringen.

"Antagandet var att de inte bidrar alls, "Sade Henry." Men det som var förvånande att vi fann med vår nya metod var att i detta specifika material, de lokaliserade lägena bidrar väsentligt. "

Med hjälp av superdatorn Stampede vid Texas Advanced Computing Center - en av de mest kraftfulla i världen - körde Henry simuleringar som fångade beteendet hos lokala vibrationer som aldrig förr.

Resultaten matchade inte bara experimentella resultat, de fann att lokaliserade lägen bidrog med mer än 10 procent till den totala värmeledningsförmågan och är till stor del ansvariga för ökningen av värmeledningsförmågan hos amorft kisel över rumstemperatur.

"De här beräkningarna som görs är svåråtkomliga på en enda maskin. Du skulle vänta år på att få svaret, " sa han. "För att kunna dela upp problemet i hundratals eller tusentals enskilda delar som körs samtidigt, och gör det massivt parallellt är helt möjliggörande. "

Glasets värmeledningsförmåga råkar vara viktigt för energieffektivitet.

"Tvåsiffriga procentsatser av all energianvändning i USA är relaterat till glas, "Sa Henry." Den viktigaste platsen där du tappar värme är genom fönster. "

Inte bara det:amorft kisel används i solceller, och de flesta polymerer - plast - som de som används i personlig elektronik, består av amorfa material.

Henrys framgångar med att fånga glasets atomvibrationer berodde på utvecklingen av ett nytt sätt att studera fononernas dynamik, som han hade skapat med Wei Lv, en doktorand i sitt labb, Känd som Green-Kubo Modal Analysis (GKMA), den nya metoden använder molekylära dynamiksimuleringar för att mer exakt beräkna bidragen olika vibrationssätt ger till värmeledningen.

I december 2016 Henry och Lv publicerade en bred analys av GKMA kontra fonongasmodellen i Naturvetenskapliga rapporter . Deras resultat tyder starkt på att fonongasmodellen inte är tillämplig på amorfa fasta ämnen. Forskningen stöds delvis av ett National Science Foundation (NSF) CAREER Award.

GKMA -metoden kan tillämpas på ett brett spektrum av material, inklusive legeringar, andra amorfa fasta ämnen och till och med styva molekyler.

Att förstå och noggrant modellera dessa system kan leda till bättre, mer energieffektiva former av vardagsmaterial.

"Aseguns projekt är ett utmärkt exempel på den typ av insats som stöds av NSF:grundläggande, väldigt komplex, och ändå potentiellt störande för ingenjörspraxis, "sa José Lage, Programdirektör för NSF Thermal Transport Processes. "Hans insats ligger i framkant i ett av de mest spännande nya forskningsområdena inom termiska transportprocesser, och har redan påverkat vår förståelse av ett mycket komplext teknikfenomen. "

I sista hand, Henry hoppas kunna använda de insikter han har fått för att identifiera och designa material med oöverträffade egenskaper – material som kan överföra värme mycket mer effektivt och potentiellt till och med supraledande material.

"Vi är i utkanten av att driva vårt samhälle att tänka om problemet med värmeledningsförmåga och utnyttja beteenden för att uppnå egenskaper som man tidigare trodde var omöjliga, " han sa.

Sonifierande simuleringar

Forskare förstår vanligtvis data genom grafer och visualiseringar. Men är det möjligt att använda ljud för att tolka komplex information?

Henry tror att det är baserat på att hans personliga erfarenheter fick insikter från inspelningar av atomvibrationer. Hans ansträngningar började när han försökte förstå resultaten av en simulering av en utsträckt polymerkedja.

"Om du tittar på data, det ser ut som vitt brus, " sa Henry. "Vi bestämde oss för att sonifiera data, och så snart vi lyssnade på det, vi kunde höra mönstret. "

Henry, som har en bakgrund inom musik, säger att detta är vettigt, med tanke på hjärnans naturliga ljudbehandlingsförmåga.

"Det mänskliga örat är bättre på mönsterigenkänning än ögat är, "Sa Henry." Om du interagerar med ett organ som är bättre, du kan hitta mönster som inte är uppenbara. "

Alltsedan, han har sonifierat vibrationerna från olika material som ett sätt att utforska deras betydelse.

"När du lyssnar på högtalaren, magneten gör samma rörelser som atomen gör, " han sa.

Att förvandla atomegenskaper till ljud kan också vara ett effektivt sätt att få eleverna att intressera sig för fysik och materialvetenskap. Som en del av hans NSF CAREER -pris, Henry har lett ett sommaruppsökande program där afroamerikaner och kvinnor läser, musiklärare på gymnasiet, och gymnasieelever arbetar med att omvandla vibrationer från atomer till ljudfiler.

De kommer att generera resultat för hela det periodiska systemet och sprida sina resultat genom en mobilapp som låter dig lyssna på varje element.

Individer kommer att kunna använda mobilappen för att göra musik från dessa ljud, tillhandahålla ett nytt sätt för allmänheten att lära sig och uppskatta skönheten i kemi.

"Tillvägagångssättet att använda sonifiering är ganska allmänt och kan vara meningsfullt för många områden, eftersom den utnyttjar en grundläggande egenskap hos mänsklig hörsel kontra syn, "Henry sa." Förhoppningsvis kommer vår applikation att ge upphov till mer användning inom vetenskap och teknik. "