Asegun Henry quiere evitar los peores efectos del cambio climático al encontrar nuevas formas de energía renovable y mejorar los materiales que contribuyen al uso de la energía.
"La forma en que producimos electricidad hoy contamina el medio ambiente", dijo Henry, profesor de ingeniería mecánica en Georgia Tech. "Mi investigación se centra principalmente en convertirnos de una infraestructura basada en combustibles fósiles a una infraestructura basada en energía renovable o solarpara que podamos confiar en formas renovables de energía que no contaminen el mundo en absoluto.
"Personalmente veo eso como salvar al mundo"
Lo que hace que el enfoque de Henry sobre los problemas de energía sea diferente al de otros ingenieros es su experiencia en el modelado de computadoras a nivel atómico.
"Entiendo diferentes procesos en términos de lo que está sucediendo a nivel atómico", dijo Henry. "Eso me permite desarrollar ideas y oportunidades para nuevas ideas que son diferentes de otras que provienen del nivel macroscópico".
Su investigación está muy interesada en cómo funciona el transporte de calor en las escalas más pequeñas.
En octubre, Henry publicó los resultados de un estudio de dióxido de silicio amorfo, comúnmente conocido como vidrio Informes científicos de la naturaleza eso respondió un misterio de larga data sobre el material cotidiano: por qué su conductividad térmica aumenta con la temperatura.
El transporte de calor en silicio amorfo está determinado por el comportamiento de los fonones en el material. Los fonones son similares a los electrones o fotones, ya que transportan calor, pero en lugar de derivarse de la radiación electromagnética o partículas subatómicas cargadas negativamente, están asociadoscon las vibraciones colectivas de los átomos.
Los científicos pueden predecir con precisión la conductividad térmica de muchos materiales cristalinos utilizando expresiones basadas en el ampliamente utilizado "modelo de gas fonón". Sin embargo, modelar la transferencia de calor en materiales amorfos, aquellos que carecen del orden y la periodicidad de un cristal, esmás desafiante.
"A diferencia de los materiales cristalinos, donde las vibraciones se convierten en movimientos colectivos que actúan como ondas sonoras, en materiales amorfos, se obtienen diferentes tipos de vibraciones, la mayoría de las cuales se ven al azar, como la estructura subyacente", explicó Henry. "Inclusoobtener vibraciones pequeñas y localizadas que consisten en solo docenas de átomos "
Se sabía que estas pequeñas vibraciones existían, pero nadie había evaluado nunca cuánto contribuyen a la transferencia de calor.
"La suposición era que no contribuyen en absoluto", dijo Henry. "Pero lo sorprendente que encontramos con nuestro nuevo método fue que en este material específico, los modos localizados contribuyen sustancialmente".
Utilizando la supercomputadora Stampede en el Centro de Computación Avanzada de Texas, uno de los más poderosos del mundo, Henry realizó simulaciones que capturaron el comportamiento de las vibraciones localizadas como nunca antes.
Los resultados no solo coincidieron con los resultados experimentales, descubrieron que los modos localizados contribuyeron más del 10 por ciento a la conductividad térmica total y son en gran parte responsables del aumento de la conductividad térmica del silicio amorfo por encima de la temperatura ambiente.
"Estos cálculos que se están haciendo son intratables en una sola máquina. Esperarías años para obtener la respuesta", dijo. "Para poder dividir el problema en cientos o miles de partes individuales que se ejecutan simultáneamente, yhacerlo masivamente en paralelo es completamente habilitante "
La conductividad térmica del vidrio resulta ser importante para la eficiencia energética.
"Los porcentajes de dos dígitos de todo el uso de energía en los Estados Unidos están relacionados con el vidrio", dijo Henry. "El principal lugar donde se pierde calor es a través de las ventanas".
No solo eso: el silicio amorfo se usa en las células solares, y la mayoría de los polímeros, plásticos, como los que se usan en la electrónica personal, están compuestos de materiales amorfos.
Los éxitos de Henry al capturar las vibraciones atómicas del vidrio se debieron al desarrollo de una nueva forma de estudiar la dinámica de los fonones, que había creado con Wei Lv, un estudiante de doctorado en su laboratorio, conocido como Modal Green-KuboAnálisis GKMA, el nuevo método utiliza simulaciones de dinámica molecular para calcular con mayor precisión las contribuciones que los diferentes modos de vibración hacen a la conducción de calor.
En diciembre de 2016, Henry y Lv publicaron un amplio análisis de GKMA versus el modelo de gas de fonón en Informes científicos de la naturaleza . Sus resultados sugieren fuertemente que el modelo de gas fonón no es aplicable a los sólidos amorfos. La investigación es apoyada en parte por un Premio CARRERA de la National Science Foundation NSF.
El método GKMA se puede aplicar a una amplia gama de materiales, incluidas aleaciones, otros sólidos amorfos e incluso moléculas rígidas.
Comprender y modelar con precisión estos sistemas puede conducir a formas mejores y más eficientes energéticamente de materiales cotidianos.
"El proyecto de Asegun es un excelente ejemplo del tipo de esfuerzo apoyado por NSF: básico, muy complejo y potencialmente perjudicial para la práctica de ingeniería", dijo José Lage, director del programa de Procesos de Transporte Térmico de NSF. "Su esfuerzo está en ela la vanguardia de una de las nuevas áreas de investigación más emocionantes en los procesos de transporte térmico, y ya ha afectado nuestra comprensión de un fenómeno de ingeniería muy complejo ".
En última instancia, Henry espera utilizar la información que ha obtenido para identificar y diseñar materiales con propiedades sin precedentes, materiales que pueden transferir calor de manera mucho más eficiente y potencialmente incluso materiales superconductores.
"Estamos al borde de presionar a nuestra comunidad para que reconsidere el problema de la conductividad térmica y explote los comportamientos para lograr propiedades que anteriormente se consideraban imposibles", dijo.
Simulaciones sonoras
Los científicos generalmente entienden los datos a través de gráficos y visualizaciones. ¿Pero es posible usar el sonido para interpretar información compleja?
Henry cree que es así, en base a sus experiencias personales obteniendo información de grabaciones de vibraciones atómicas. Sus esfuerzos comenzaron cuando estaba tratando de comprender los resultados de una simulación de una cadena de polímero estirada.
"Si observa los datos, parece un ruido blanco", dijo Henry. "Decidimos sonificar los datos y, tan pronto como los escuchamos, pudimos escuchar el patrón".
Henry, que tiene experiencia en música, dice que esto tiene sentido, dados los poderes de procesamiento de audio natural del cerebro.
"El oído humano es mejor en el reconocimiento de patrones que el ojo", dijo Henry. "Si interactúas con un órgano que es mejor, puedes encontrar patrones que no son obvios".
Desde entonces, ha estado sonando las vibraciones de varios materiales como una forma de explorar su significado.
"Cuando escuchas al orador, el imán está haciendo los mismos movimientos que el átomo", dijo.
Convertir las propiedades atómicas en sonido también puede ser una forma efectiva de hacer que los estudiantes se interesen en la física y la ciencia de los materiales. Como parte de su premio NSF CAREER, Henry ha liderado un programa de divulgación de verano donde estudiantes universitarias afroamericanas y mujeres, música de secundariamaestros y estudiantes de secundaria están trabajando para convertir las vibraciones de los átomos en archivos de sonido.
Generarán resultados para toda la tabla periódica y difundirán sus hallazgos a través de una aplicación móvil que le permite escuchar cada elemento.
Las personas podrán usar la aplicación móvil para hacer música a partir de estos sonidos, proporcionando una nueva forma para que el público aprenda y aprecie la belleza de la química.
"El enfoque del uso de la sonificación es bastante general y podría ser significativo para muchas áreas, ya que explota una propiedad básica del oído humano frente a la vista", dijo Henry. "Esperemos que nuestra aplicación genere más uso en la ciencia y la ingeniería".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Texas en Austin, Centro de Computación Avanzada de Texas . Original escrito por Aaron Dubrow. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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