Vreemd materiaal breekt natuurkundige regel

Een basisprincipe uit de natuurkunde is dat wanneer de druk toeneemt, de thermische geleidbaarheid of warmtegeleidbaarheid (het vermogen van een materiaal om warmte te geleiden) ook toeneemt. Dat komt doordat atomen die samengedrukt worden, meer op elkaar reageren.

Meer dan een eeuw onderzoek heeft die regel bevestigd. Toch hebben ingenieurs nu een uitzondering gevonden: toen ze intense druk uitoefenden op boorarsenide, een recent ontdekt halfgeleidermateriaal, nam de warmtegeleidbaarheid af. Die bevinding, beschreven in Nature, trekt de gevestigde theorie in twijfel en zet mogelijk de huidige modellen over hoe stoffen zich onder extreme omstandigheden gedragen, op losse schroeven.

‘Nu we deze eerste ontdekking hebben gedaan, denken we dat dit niet het enige materiaal met abnormaal gedrag kan zijn’, zegt Yongjie Hu, scheikundige en werktuigbouwkundig ingenieur aan de Universiteit van Californië in Los Angeles (UCLA). Als andere stoffen deze eigenschap vertonen, ‘klopt het gevestigde begrip van warmtegeleidbaarheid misschien niet.’

In eerdere studies stelden Hu en andere onderzoekers vast dat boorarsenide een uitzonderlijk hoge warmtegeleidbaarheid heeft. De wetenschappers berekenden ook dat conventionele regels voor warmtegeleidbaarheid in bepaalde omstandigheden misschien niet van toepassing zijn op de stof.

Planeetkern

Om die voorspellingen te testen, plaatsten Hu en zijn collega’s een piepklein stukje boorarsenide van minder dan 100 micrometer dik in een opening tussen twee diamanten. Ze oefenden druk uit op de diamanten sandwich om een kracht op het boorarsenide te creëren die honderden malen groter was dan die op de bodem van de oceaan. De onderzoekers gebruikten ultrasnelle optica, spectroscopie en röntgenstraling om te documenteren hoe de warmtegeleidbaarheid van boorarsenide begint af te nemen wanneer warmte zich door het monster verspreidt en het aan intense druk wordt blootgesteld. Ze stelden vast dat de afname het gevolg is van vergelijkbare soorten hittegolven die elkaar overlappen en opheffen. Dat verschijnsel wordt door de kwantummechanica voorspeld.

Als Hu en zijn collega’s kunnen aantonen dat dit gedrag ook voor andere materialen geldt, zullen natuurkundigen mogelijk gevestigde modellen moeten herzien voor omgevingen zoals de ruimte of het binnenste van planeten, inclusief die van de aarde. Als het model voor het binnenste van de aarde wordt herwerkt, zouden de voorspellingen voor klimaatverandering kunnen wijzigen. De temperaturen aan het planeetoppervlak worden immers beïnvloed door wat er binnenin de planeet gebeurt.

De nieuwe studie levert ‘voor zover ik weet het eerste en beste experimentele bewijs dat aantoont dat warmtegeleidbaarheid kan worden afgesteld’, zegt geofysicus Raymond Jeanloz van de Universiteit van Californië in Berkeley, die niet bij het onderzoek betrokken was. Hij voegt eraan toe dat deze bevinding de mogelijkheid opent van geavanceerde technologieën die energie besparen en elektronica koelen door de warmtegeleidbaarheid te regelen.

Dit artikel verscheen eerder in Scientific American. Vertaling: Eva Van Waetermeulen