Fortgeschrittene Werkstoffe

Mit Informationen von PSU – 22.08.2023

Welche Zentropie?

Systeme im Universum sind anfällig für Unordnung, daher ist eine Energiezufuhr erforderlich, um das Chaos in Schach zu halten. Das Konzept heißt Entropie, und Beispiele finden sich überall: schmelzendes Eis, brennende Feuer, kochendes Wasser und praktisch alles andere.

Jetzt schlagen Wissenschaftler vor, der Entropie eine weitere Ebene hinzuzufügen und Zentropie zu schaffen.

Die Idee besteht darin, zu berücksichtigen, wie Entropie auf verschiedenen Ebenen innerhalb eines Systems auftreten kann, um die potenziellen Ergebnisse des Systems vorherzusagen, wenn es von seiner Umgebung beeinflusst wird.

Das „Z“ in Zentropie steht für das deutsche Wort zustandssumm, was „Summe über Zustände“ der Entropie bedeutet. Alternativ kann Zentropie als Spiel mit dem Begriff „Zen“ aus dem Buddhismus betrachtet werden, wobei Zentropie Einblicke in die Natur eines Systems bietet.

gekreuzte Phänomene

Zentropie basiert auf der Entropie, dem Teil des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik, der das Maß der Unordnung in einem System ausdrückt, die während eines Zeitraums auftritt, in dem keine Energie zur Aufrechterhaltung der Ordnung eingesetzt wird. Zentropie untersucht, wie Entropie auf verschiedenen Skalen innerhalb eines Systems auftritt, angefangen bei experimentellen Messungen der Thermodynamik über die statistische Mechanik bis hin zur Quantenmechanik.

Dies ermöglicht die Untersuchung gekreuzter Phänomene, bei denen es sich um die Reaktionen eines Systems auf verschiedene äußere Reize handelt. Diese Crossover-Phänomene treten in praktisch jedem System und auf allen Skalen auf. Seine Existenz erklärt beispielsweise, wie ein äußerer Reiz (Kraftstoffverbrennung) den Teilefluss im Inneren eines Motors antreibt und wie die Funktionalität und Effizienz des Motors von der Antriebskraft und Beweglichkeit der Teile abhängt, aus denen er besteht. Aber die Beispiele sind zahllos.

„Wenn man in einem thermoelektrischen Material einen Temperaturgradienten einstellt, erzeugt es Strom und erzeugt somit Strom, wie er in NASA-Raumfahrzeugen verwendet wird. Wenn man dagegen einen starken elektrischen Strom anlegt, kann dies dazu führen, dass die Temperatur sinkt.“ , was sein kann nützlich für die Kühlung. Das sind Kreuzphänomene“, erklärte Professor Zi-Kui Liu von der Pennsylvania State University, USA.

Anwendung des Zentropiekonzepts auf ferroelektrische Materialien.
[Imagem: Zi-Kui Liu et al. – 10.1016/j.scriptamat.2023.115480]

Zentropie der Ferroelektrika

Der Vorschlag wird von einer Demonstration begleitet, wie dieses Konzept eine Möglichkeit bieten kann, die Ergebnisse von Experimenten vorherzusagen und die Entdeckung und effizientere Gestaltung neuer Materialien zu ermöglichen. Die Demo verwendet am Beispiel ferroelektrischer Materialien viel Physik und etwas Intuition, um eine parameterfreie Möglichkeit zur Vorhersage des Verhaltens dieser fortschrittlichen Materialien zu bieten.

Ferroelektrika verfügen über einzigartige Eigenschaften, die sie für eine Vielzahl von Anwendungen wertvoll machen, von Robotermuskeln und neuromorphen Komponenten bis hin zu prothetischem Computing.

Eine dieser Eigenschaften ist die spontane elektrische Polarisation, die durch Anlegen eines elektrischen Feldes umgekehrt werden kann, um Technologien von Ultraschall bis hin zu Tintenstrahldruckern, energieeffizientem RAM und ferroelektrischen Gyroskopen in Mobiltelefonen zu ermöglichen und so für flüssige Videos und scharfe Fotos zu sorgen. .

Um diese Technologien zu entwickeln, müssen Forscher das Verhalten dieser Polarisierung und ihre Umkehr verstehen. Aus Effizienzgründen entwerfen Forscher ihre Experimente häufig auf der Grundlage vorhergesagter Ergebnisse. Typischerweise erfordern diese Vorhersagen Anpassungen, sogenannte „Tuning-Parameter“, um eine genaue Übereinstimmung mit realen Variablen zu gewährleisten, deren Bestimmung Zeit und Energie erfordert.

Hier kommt die Zentropie ins Spiel, die Top-Down- und Bottom-Up-Quantenmechanik integriert, um experimentelle Messungen des Systems vorherzusagen – ohne auf Abstimmungsparameter angewiesen zu sein.

„Natürlich werden letztendlich die Experimente der ultimative Test sein, aber wir haben herausgefunden, dass Zentropie eine quantitative Vorhersage liefern kann, die die Chancen erheblich verringern kann“, sagte Liu. „Man kann bessere Experimente zur Erforschung ferroelektrischer Materialien entwerfen und die Forschungsarbeit kann viel schneller durchgeführt werden, was bedeutet, dass man Zeit, Energie und Geld spart und effizienter ist.“

Eine Momentaufnahme der Molekulardynamiksimulationen des Teams.
[Imagem: Zi-Kui Liu]

Raum für Intuition

In Ferroelektrika kann die Konfiguration der elektrischen Dipole die Polarisationsrichtung ändern. Die Forscher wandten das Konzept der Zentropie an, um Phasenübergänge in Bleititanat vorherzusagen, was die Identifizierung von drei Arten möglicher Konfigurationen im Material ermöglichte – diese Bleiverbindung ist die Grundlage einer neuen magnetischen Speichertechnologie.

Die Vorhersagen waren effektiv und stimmten mit Beobachtungen überein, die bei Experimenten gemacht wurden, über die in der wissenschaftlichen Literatur berichtet wird. Das Team nutzte außerdem öffentlich verfügbare Daten zu Domänenwandenergien, um eine Übergangstemperatur von 776 Kelvin vorherzusagen, was eine bemerkenswerte Übereinstimmung mit der beobachteten experimentellen Übergangstemperatur von 763 Kelvin zeigte.

Das Team arbeitet daran, diesen Unterschied zwischen vorhergesagten und beobachteten Temperaturen zu verringern, aber diese Vorhersagen, die der Realität so nahe kommen, können den Wissenschaftlern bereits einen sicheren Leitfaden bieten, damit sie ihre Intuition nutzen können, um den Rest des Experiments durchzuführen.

„Das bedeutet im Grunde, dass man vor der Durchführung von Experimenten eine gewisse Intuition und einen vorhersagenden Ansatz dafür haben kann, wie sich ein Material mikroskopisch und makroskopisch verhält“, sagte Liu. „Wir können bereits vor dem Experiment damit beginnen, das Ergebnis genau vorherzusagen.“

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