En sfär och en kub kan deformeras till varandra utan snitt eller sömmar. En mugg och ett glas kan inte eftersom, att deformera det första till det andra, handtaget måste brytas. Topologi är den gren av matematik som formaliserar denna skillnad mellan muggar och glasögon, utvidga det också till abstrakta utrymmen med många dimensioner. En ny teori som utvecklats av forskare vid SISSA i Trieste har lyckats upprätta ett nytt samband mellan närvaron eller frånvaron av "handtag" i utrymmet för arrangemang av atomer och molekyler som utgör ett material, och benägenheten för den senare att leda elektricitet. Enligt denna teori, isoleringsmaterialen "utrustade med handtag" kan leda elektricitet såväl som metaller, samtidigt som de behåller typiska egenskaper hos isolatorer, som transparens.

Forskningen, som just har publicerats i tidningen Fysisk granskning X , är det senaste från topologins fascinerande och blomstrande värld, en abstrakt disciplin som ger ett kraftfullt handtag (ordspel avsett!) till några av materiens mest exotiska egenskaper. På det här sättet, forskare vid Triesteskolan har undersökt hur man uppskattar laddtransporten och strömmarna i generiska jonvätskor noggrant, i linje med materialets kvantitet.

De har alltså utvecklat en teori för att förklara fysiska fenomen som har varit kända i mer än ett sekel men som hittills saknade en rigorös tolkningsbas och förutsägande ram, därigenom lägga grunden för den stora tekniska utvecklingen, till exempel inom området termoelektriska material.

Metaller och mineralvatten, reflektion och transparens

"Vi brukar dela upp material i ledare och isolatorer beroende på deras benägenhet att leda el eller inte, "förklara forskningsförfattarna Paolo Pegolo, Federico Grasselli och Stefano Baroni. "I en metall, som är en typisk ledare, vissa elektroner rör sig fritt inom det joniska kristallgitteret. Dock, några vätskor, som mineralvatten, även leda el, tack vare transporten av laddade joner som är upplösta i dem. I detta fall, vi talar om joniska ledare, som är transparenta, medan metaller är reflekterande. "Joniska vätskor var i fokus för den senaste studien." Vi ville utveckla en teori baserad på atomernas kvantitet och kunna beskriva laddningstransport i denna typ av ledare "förklarar forskarna." En sund förklaring av fenomenet kan också vara användbart för att skapa nya material med aldrig tidigare skådade elektriska egenskaper. "

Topologi till fysikens tjänst

De forskare har lånat topologins matematiska verktyg. Pegolo, Grasselli och Baronis teori har därmed kopplat transport i joniska vätskor till existensen i ett abstrakt utrymme av strukturer som presenterar hål eller handtag. "Om dessa strukturer finns, det är möjligt att transportera elektroner utan att flytta jonerna, sålunda förbättras avsevärt de elektriska ledningsegenskaperna hos ett material samtidigt som det lämnas icke-metalliskt och därför transparent. I avsaknad av hål eller handtag, elektronerna förblir bundna till sin atom och ledningen är mindre effektiv. "" Dessa fenomen, "fortsätt forskarna" har varit kända inom fysiken i minst hundra år. Vår forskning ger dem en elegant och kraftfull matematisk grund och en pålitlig teoretisk stödstruktur. "

Möjlig teknisk utveckling

Denna teori finner tillämpning i vetenskapen om termoelektriska material, som är desto effektivare desto mer kan de garantera ledningen av el utan att värma upp. Forskarna drar slutsatsen, "De material som beskrivs i denna teori har inga metalliska egenskaper och gynnar därmed värmeisolering, men närvaron av elektroner som är tillräckligt rörliga för att transporteras ökar deras elektriska konduktivitet. Båda är viktiga egenskaper som, på teknisk nivå, kan i hög grad bidra till utvecklingen av mer effektiva och avancerade enheter. "

Vetenskapen om elektrolytmaterial kan också dra nytta av resultaten av denna forskning, i att bättre förståelse av ledning i avsaknad av metallicitet kan leda till designbatterier som är effektiva och elektrokemiskt stabila.