ИИ-алгоритмы выявили неожиданный квантовый эффект в теплопроводности материалов OLED

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