Des chercheurs de l’UCLA et leurs collègues ont découvert un nouveau principe physique régissant la façon dont la chaleur est transférée à travers les matériaux, et cette découverte contredit la sagesse conventionnelle selon laquelle la chaleur se déplace toujours plus rapidement lorsque la pression augmente.
Jusqu’à présent, la croyance commune s’est avérée vraie dans les observations enregistrées et les expériences scientifiques impliquant différents matériaux tels que les gaz, les liquides et les solides.
Les chercheurs ont détaillé leur découverte dans une étude publiée la semaine dernière par La nature. Ils ont découvert que l’arséniure de bore, qui a déjà été considéré comme un matériau très prometteur pour la gestion de la chaleur et l’électronique de pointe, possède également une propriété unique. Après avoir atteint une pression extrêmement élevée qui est des centaines de fois supérieure à la pression trouvée au fond de l’océan, la conductivité thermique de l’arséniure de bore commence en fait à diminuer.
Les résultats suggèrent qu’il pourrait y avoir d’autres matériaux connaissant le même phénomène dans des conditions extrêmes. L’avancée peut également conduire à de nouveaux matériaux qui pourraient être développés pour les systèmes énergétiques intelligents avec des « fenêtres de pression » intégrées afin que le système ne s’allume que dans une certaine plage de pression avant de s’éteindre automatiquement après avoir atteint un point de pression maximum.
« Cette découverte de recherche fondamentale montre que la règle générale de dépendance à la pression commence à échouer dans des conditions extrêmes », a déclaré le responsable de l’étude, Yongjie Hu, professeur agrégé de génie mécanique et aérospatial à la UCLA Samueli School of Engineering. « Nous nous attendons à ce que cette étude fournisse non seulement une référence pour la révision potentielle de la compréhension actuelle du mouvement de la chaleur, mais elle pourrait également avoir un impact sur les prédictions de modélisation établies pour les conditions extrêmes, telles que celles trouvées à l’intérieur de la Terre, où les mesures directes ne sont pas possibles. »
Selon Hu, la percée de la recherche pourrait également conduire à un réoutillage des techniques standard utilisées dans les études sur les ondes de choc.
Semblable à la façon dont une onde sonore se propage à travers une cloche, la chaleur se propage à travers la plupart des matériaux par le biais de vibrations atomiques. Lorsque la pression resserre les atomes à l’intérieur d’un matériau, elle permet à la chaleur de se déplacer plus rapidement à travers le matériau, atome par atome, jusqu’à ce que sa structure se décompose ou se transforme en une autre phase.
Ce n’est pas le cas, cependant, avec l’arséniure de bore. L’équipe de recherche a observé que la chaleur commençait à se déplacer plus lentement sous une pression extrême, suggérant une interférence possible causée par différentes façons dont la chaleur vibre à travers la structure lorsque la pression monte, semblable à des ondes qui se chevauchent et s’annulent. De telles interférences impliquent des interactions d’ordre supérieur qui ne peuvent être expliquées par la physique des manuels.
Les résultats suggèrent également que la conductivité thermique des minéraux peut atteindre un maximum après une certaine plage de pression. « Si cela s’applique aux intérieurs planétaires, cela peut suggérer un mécanisme pour une » fenêtre thermique « interne – une couche interne à l’intérieur de la planète où les mécanismes de flux de chaleur sont différents de ceux en dessous et au-dessus », explique la co-auteure Abby Kavner, professeur de sciences de la terre, des planètes et de l’espace à l’UCLA. « Une couche comme celle-ci peut générer un comportement dynamique intéressant à l’intérieur des grandes planètes. »
Pour atteindre l’environnement à très haute pression pour leurs démonstrations de transfert de chaleur, les chercheurs ont placé et comprimé un cristal d’arséniure de bore entre deux diamants dans une chambre contrôlée. Ils ont ensuite utilisé la théorie quantique et plusieurs techniques d’imagerie avancées, notamment l’optique ultrarapide et les mesures de diffusion inélastique des rayons X, pour observer et valider le phénomène jusqu’alors inconnu.
Les étudiants diplômés en génie mécanique Suixuan Li, Zihao Qin, Huan Wu et Man Li du groupe de recherche de Hu sont les co-auteurs principaux de l’étude. Les autres auteurs sont Kavner, Martin Kunz du Lawrence Berkeley National Laboratory et Ahmet Alatas du Argonne National Laboratory.
L’étude a été financée par la National Science Foundation, la Fondation Alfred P. Sloan et un prix d’excellence en recherche VM Watanabe de l’UCLA Samueli. Certaines expériences ont été menées dans deux installations du Département américain de l’énergie – la source de photons avancée du laboratoire national d’Argonne et la source de lumière avancée du laboratoire national de Lawrence Berkeley. Les services informatiques ont été fournis par l’UCLA Institute for Digital Research and Education et la National Science Foundation. Les auteurs ont également reçu le soutien du Nanoelectronics Research Facility et du California NanoSystems Institute (CNSI) de l’UCLA. Hu et Kavner sont tous deux membres du CNSI.
