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欧洲新型材料探索（NOMAD）实验室的研究人员最近阐明了基本的微观机制，提供了定制隔热材料的方法。这一发展推进了提高能源效率和可持续性的努力。热传输的作用在各种科学和工业应用中至关重要，如催化、涡轮技术和将废热转化为电能的热电转换器。特别是在节约能源和发展可持续技术的背景下，具有高热绝缘能力的材料是最重要的。
研究人员发现，微观上的局部缺陷对绝缘体的热传导有很大影响。这一发现来自对众多晶体材料的超级计算机辅助研究，可以通过缺陷工程推进更节能的纳米级热绝缘体的设计。
这些材料使我们能够保留和利用热量。因此，改善高隔热材料的设计是实现更多能源效率应用的关键研究目标。
然而，设计强大的热绝缘体远非易事，尽管基本的物理定律已经明确了近一个世纪。在微观层面上，半导体和绝缘体中的热传输被理解为原子围绕其在晶格中的平衡位置进行的集体振荡。这些振荡，在该领域被称为“声子”，涉及固体材料中的数十亿个原子，因此涵盖了大几乎是宏观的长度和时间尺度。
在最近发表在《物理评论B》和《物理评论通讯》上的一篇联合文章中，来自弗里茨·哈伯研究所NOMAD实验室的研究人员推进了计算的可能性，在没有实验输入的情况下以前所未有的精度计算热导率。他们证明，对于强热绝缘体，上述的声子图景是不合适的。他们利用马克斯-普朗克协会、北德超级计算联盟和尤利希超级计算中心的超级计算机进行大规模计算，扫描了超过465种晶体材料，这些材料的热导率尚未被测量。除了发现28种强热绝缘体，其中6种具有与木材相当的超低热导率，这项研究还揭示了迄今为止通常被忽视的允许系统性降低热导率的机制。
“我们观察到缺陷结构的暂时形成，它在极短的时间内对原子运动产生了巨大的影响。”两篇论文的第一作者Florian Knoop说，“这种影响通常在热传导模拟中被忽略，因为这些缺陷是如此短暂，而且与典型的热传输尺度相比是如此微观的局部，所以它们被认为是不相关的。然而，所进行的计算显示，它们引发了较低的热导率。”该研究的资深作者Christian Carbogno补充道。
这些见解可能为通过缺陷工程在纳米水平上微调和设计热绝缘体提供了新的机会，有可能为节能技术的进步作出贡献。
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