Vzácny minerál nájdený v stáročnom meteorite, aký sa nachádza aj na Marse, ohromil vedcov bizarným správaním pri tepelnom spracovaní.
Štruktúra minerálu stojí na pomedzí usporiadaného kryštálu a neusporiadaného skla. Ilustračný obrázok. Zdroj: iStockphotos.com/Katarzyna Sawejko
Nie je to ani úplne kryštál, ani úplne sklo. Hybridný materiál vedie teplo spôsobom, aký zatiaľ nepoznáme. Jeho tepelná vodivosť totiž zostáva konštantná pri odlišných teplotách namiesto toho, aby sa zvyšovala alebo znižovala.
Bežné materiály sa pri zmene teploty správajú predvídateľne. Väčšina kryštálov vedie teplo lepšie, keď je studená, ale horšie, keď sa zohreje. Sklo (a podobné amorfné materiály) má tepelnú vodivosť zvyčajne nízku a tiež sa mení s teplotou, hoci inak než v kryštáloch.
Hybridný materiál z Marsu, ktorý má vlastnosti podobné vlastnostiam kryštálu a skla, sa však správa nezvyčajne. Jeho schopnosť viesť teplo sa nemení, nech je teplota akákoľvek.
Prečo je dôležité vedenie tepla v moderných technológiách
Kryštály a sklo vedú teplo odlišnými spôsobmi a to zohráva dôležitú úlohu v mnohých moderných technológiách. Týka sa to napríklad miniaturizácie a zefektívňovania elektroniky, získavania energie z odpadového tepla či predlžovania životnosti tepelných štítov v letectve a kozmonautike.
Zlepšovanie výkonu a odolnosti materiálov, ktoré tieto technológie využívajú, závisí od pochopenia toho, ako ich chemické zloženie a usporiadanie atómov (napríklad kryštalické, sklovité alebo nanoštruktúrované) ovplyvňujú spôsob vedenia tepla.
Výskumný tím študuje túto výzvu od základných princípov. Aristotelovými slovami, vychádza z „prvého základu, z ktorého je vec známa“, počnúc základnými rovnicami kvantovej mechaniky a aplikovaním metód strojového učenia na ich riešenie s presnosťou.
Meteority, Mars a hybridný objav
V zisteniach publikovaných 11. júla 2025 v časopise Proceedings of the National Academy of Sciences vedci a vedkyne predpovedali existenciu materiálu, ktorý spája tepelné správanie kryštálov a skla. Neskôr potvrdili túto predpoveď experimentálnymi meraniami. Jedinečný materiál bol prvýkrát identifikovaný v meteoritoch a detegovaný na Marse.
Fyzika, ktorá stojí za nezvyčajnou schopnosťou spracovania tepla, by mohla viesť k novým spôsobom navrhovania materiálov, ktoré odolávajú extrémnym teplotným rozdielom a zároveň ponúkajú indície o tepelnej histórii planét.
Kryštály vs. sklo: Ako atómová štruktúra ovplyvňuje teplo
Tepelná vodivosť závisí od toho, či je materiál kryštalický s usporiadanou mriežkou atómov alebo sklovitý s neusporiadanou, amorfnou štruktúrou.
V roku 2019 Michele Simoncelli, Nicola Marzari a Francesco Mauri odvodili rovnicu, ktorá zachytáva opačné trendy tepelnej vodivosti pozorované v kryštáloch a skle. Podstatné je, že opisuje aj prechodné správanie chybných alebo čiastočne neusporiadaných materiálov, ako sú tie, ktoré sa používajú v termoelektrike na spätné získavanie odpadového tepla, v perovskitových solárnych článkoch a v tepelno-bariérových povlakoch tepelných štítov.
Meteoritový oxid kremičitý odhaľuje vzácnu tepelnú stálosť
Pomocou tejto rovnice vedci skúmali vzťah medzi atómovou štruktúrou a tepelnou vodivosťou v materiáloch vyrobených z oxidu kremičitého, jednej z hlavných zložiek piesku. Predpovedali, že konkrétna forma oxidu kremičitého – tridymit -, ktorú v šesťdesiatych rokoch 20. storočia opísali ako typickú pre meteority, bude vykazovať znaky hybridného kryštálovo-skleného materiálu s tepelnou vodivosťou, ktorá sa nemení s teplotou.
Nezvyčajné správanie pri prenose tepla má analógiu s invarovým efektom pri tepelnej rozťažnosti, za čo v roku 1920 udelili Nobelovu cenu za fyziku. To viedlo tím k experimentálnym skupinám Etienna Balana, Daniela Fourniera a Massimiliana Marangola vo Francúzsku, ktorí získali špeciálne povolenie od Národného prírodovedného múzea v Paríži na vykonanie experimentov na vzorke kremičitého tridymitu vytesaného z meteoritu, ktorý v roku 1724 dopadol do Steinbachu v Nemecku.
Unikátny minerál s potenciálom pre ekologickú oceľ
Ich experimenty potvrdili predpovede: meteorický tridymit má atómovú štruktúru na pomedzí usporiadaného kryštálu a neusporiadaného skla, a jeho tepelná vodivosť zostáva v podstate konštantná v experimentálne dostupnom teplotnom rozsahu od 80 do 380 kelvinov.
Po ďalšom skúmaní tím predpovedal, že tento materiál by mohol vzniknúť desaťročným tepelným starnutím v žiaruvzdorných tehlách používaných v peciach na výrobu ocele. Oceľ je jedným z najdôležitejších materiálov v modernej spoločnosti, ale jej výroba je uhlíkovo náročná. Kilogram ocele vypúšťa približne 1,3 kilogramu oxidu uhličitého, pričom takmer miliarda ton vyrobených ročne predstavuje približne 7 percent emisií uhlíka v USA.
Materiály získané z tridymitu by sa raz mohli použiť na efektívnejšiu kontrolu intenzívneho tepla potrebného na výrobu ocele, čo by pomohlo znížiť uhlíkovú stopu oceliarskeho priemyslu.
Zdroj: Science News, PNAS
(LDS)
