NOMAD實驗室的研究人員最近闡明了基本的微觀機制，提供了定制隔熱材料的方法。這一發展推進了正在進行的提高能源效率和可持續性的努力。熱傳輸的作用在各種科學和工業應用中至關重要，如催化、渦輪技術和將廢熱轉化為電能的熱電轉換器。特別是在節約能源和發展可持續技術的背景下，具有高熱絕緣能力的材料是最重要的。

研究人員發現，微觀上的局部缺陷對絕緣體的熱傳導有很大影響。這一發現來自於對眾多晶體材料的超級計算機輔助研究，可以通過缺陷工程推進更節能的納米級熱絕緣體的設計。

這些材料使我們能夠保留和利用否則會被浪費的熱量。因此，改善高隔熱材料的設計是實現更多能源效率應用的關鍵研究目標。

碘化銅中臨時形成的缺陷對。雖然這些缺陷只存活了幾皮秒，即一萬億分之一秒，但它們對宏觀的熱傳輸過程有很大影響。資料來源：© Florian Knoop，NOMAD實驗室

然而，設計強大的熱絕緣體遠非易事，儘管基本的基本物理定律已經知道了近一個世紀。在微觀層面上，半導體和絕緣體中的熱傳輸被理解為原子圍繞其在晶格中的平衡位置進行的集體振盪。這些振盪，在該領域被稱為”聲子”，涉及固體材料中的數十億個原子，因此涵蓋了大的、幾乎是宏觀的長度和時間尺度。

在最近發表在《物理評論B》（編輯建議）和《物理評論通訊》上的一篇聯合文章中，來自弗里茨-哈伯研究所NOMAD實驗室的研究人員推進了計算的可能性，在沒有實驗輸入的情況下以前所未有的精度計算熱導率。他們證明，對於強熱絕緣體，上述的聲子圖景是不合適的。他們利用馬克斯-普朗克協會、北德超級計算聯盟和尤利希超級計算中心的超級計算機進行大規模計算，掃描了超過465種晶體材料，這些材料的熱導率尚未被測量。除了發現28種強熱絕緣體，其中6種具有與木材相當的超低熱導率，這項研究還揭示了迄今為止通常被忽視的允許系統性降低熱導率的機制。

“我們觀察到缺陷結構的暫時形成，它在極短的時間內對原子運動產生了巨大的影響，”兩篇論文的第一作者Florian Knoop博士（現為林雪平大學）說。”這種影響通常在熱傳導模擬中被忽略，因為這些缺陷是如此短暫，而且與典型的熱傳輸尺度相比是如此微觀的局部，所以它們被認為是不相關的。然而，所進行的計算顯示，它們引發了較低的熱導率，”該研究的資深作者Christian Carbogno博士補充說。

這些見解可能為通過缺陷工程在納米水平上微調和設計熱絕緣體提供了新的機會，有可能為節能技術的進步作出貢獻。