Международная группа ученых раскрыла уникальный механизм теплопереноса в органических полупроводниках, применяемых в OLED-дисплеях, гибкой электронике и солнечных батареях. Исследование показало, что до 70% энергии в этих материалах передается благодаря квантовому туннелированию фононов, а не через классическое движение частиц, как предполагалось ранее.
«Модели теплопроводности для кристаллических структур долгие годы игнорировали волновую природу фононов. Мы доказали, что в органических полупроводниках с большими молекулами, таких как пентацен, туннельный эффект становится решающим. Это объясняет, например, стабильность теплопроводности при различных температурах», — объясняет руководитель исследования Эгберт Зойер.
Подобное открытие стало возможным благодаря нетрадиционному использованию методов машинного обучения: нейросети обучались не на экспериментальных данных, а на базовых физических законах, что позволило раскрыть скрытые закономерности в атомных взаимодействиях.
Традиционные модели описывали теплоперенос как диффузию фононов, аналогичную газовой диффузии. Однако для материалов с малой теплопроводностью, таких как органические полупроводники, такие модели приводили к ошибкам до 300%. Алгоритмы машинного обучения, анализировавшие данные более 500 молекулярных динамических симуляций, продемонстрировали, что на молекулах свыше 1.2 нм волновые эффекты преобладают.
«Крупные молекулы демонстрируют вибрации с частотой менее 100 Гц, что усиливает их волновые характеристики. Это позволяет теплу перемещаться между молекулами через резонанс, обходя прямое столкновение фононов», — разъясняет первый автор работы Лукас Легенштейн.
Такое открытие способствует целенаправленному проектированию материалов. Например, добавление гибких боковых групп к молекулам усиливает туннелирование, снижая теплопроводность для термоэлектрических устройств. Напротив, плотные молекулы с жесткими связями могут способствовать улучшению теплорассеяния в микроэлектронике.
«Теперь мы можем прогнозировать, как изменения структуры отразятся на теплопереносе, ускоряя процесс разработки материалов с нескольких лет до месяцев», — отмечает Зойер.
Учёные имеют особые надежды на применение методики к металлоорганическим каркасам. В пористых материалах, используемых для хранения водорода или поглощения CO2, локальный перегрев может нарушить структуру. Контроль туннельных эффектов повысит их устойчивость.
«Классические квантовые вычисления для таких систем занимают годы. Наш подход снижает это до дней без потери точности», — утверждают авторы.
Команда уже сотрудничает со стартапом по производству OLED-материалов, где внедрение новых концепций увеличило энергоэффективность устройств на 15%. По словам Зойера, сочетание машинного обучения и фундаментальной физики открывает новую эру «материалов по запросу» — от гибких сенсоров для «умной» одежды до систем рекуперации тепла в промышленности.
Источник: iXBT
