En upptäckt av forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory stödjer en hundraårig teori av Albert Einstein som förklarar hur värmen rör sig genom allt från resemuggar till motordelar.

Värmeöverföringen är grundläggande för alla material. Denna nya forskning, publiceras i tidskriften Vetenskap , utforskade värmeisolatorer, som är material som blockerar värmeöverföringen.

"Vi såg bevis för vad Einstein först föreslog 1911 - att värmeenergi hoppar slumpmässigt från atom till atom i värmeisolatorer, sa Lucas Lindsay, materialteoretiker på ORNL. "Hoppningen är ett tillägg till det normala värmeflödet genom den kollektiva vibrationen av atomer."

Det slumpmässiga energihoppet är inte märkbart i material som leder värme bra, som koppar på botten av kastruller under tillagning, men kan detekteras i fasta ämnen som har mindre förmåga att överföra värme.

Denna observation främjar förståelsen av värmeledning i värmeisolatorer och kommer att underlätta upptäckten av nya material för tillämpningar från termoelektrik som återvinner spillvärme till barriärbeläggningar som förhindrar överföring av värme.

Lindsay och hans kollegor använde sofistikerade vibrationsavkännande verktyg för att detektera rörelsen hos atomer och superdatorer för att simulera värmens resa genom en enkel talliumbaserad kristall. Deras analys visade att atomvibrationerna i kristallgittret var för tröga för att överföra mycket värme.

"Våra förutsägelser var två gånger lägre än vi observerade från våra experiment. Vi var först förbryllade, ", sa Lindsay. "Detta ledde till observationen att en annan värmeöverföringsmekanism måste vara på gång."

Att veta att den andra värmeöverföringskanalen för slumpmässig energihoppning finns kommer att informera forskare om hur man väljer material för värmehanteringstillämpningar. Detta fynd, om det tillämpas, kan drastiskt minska energikostnaderna, koldioxidutsläpp och spillvärme.

Många användbara material, som kisel, har ett kemiskt bundet gitterverk av atomer. Värme transporteras vanligtvis genom detta gitter av atomvibrationer, eller ljudvågor. Dessa värmebärande vågor stöter mot varandra, vilket bromsar värmeöverföringen.

"Det talliumbaserade materialet vi studerade har en av de lägsta värmeledningsförmågan av någon kristall, " sa Lindsay. "Mycket av den vibrerande energin är begränsad till enskilda atomer, och energin hoppar sedan slumpmässigt genom kristallen."

"Både ljudvågorna och värmehoppningsmekanismen som först teoretiserades av Einstein karakteriserar en tvåkanalsmodell, och inte bara i detta material, men i flera andra material som också uppvisar ultralåg konduktivitet, " sa ORNL materialforskare David Parker.

Tills vidare, värmehoppning kan bara detekteras i utmärkta värmeisolatorer. "Dock, denna värmehoppande kanal kan mycket väl finnas i andra kristallina fasta ämnen, skapa en ny spak för att hantera värme, " han sa.

Studiens ledande medförfattare var Saikat Mukhopadhyay, en tidigare postdoktoral forskarassistent vid ORNL och för närvarande en forskningsassistent vid National Research Council vid U.S. Naval Research Laboratory.

Ytterligare medförfattare till tidningen med titeln, "Tvåkanalsmodell för ultralåg värmeledningsförmåga av kristallin Tl3VSe4, " inklusive ORNL:s David S. Parker, Brian C. Försäljning, Alexander A. Puretzky, Michael A. McGuire och Lucas Lindsay.