Mineraalin epätavalliset ominaisuudet selittyvät sen rakenteella – atomit eivät ole sijoittuneet samalla tavalla kuin lasissa ja muissa mineraaleissa
Tieteen historiassa on harvoin tehty löytöjä, jotka voivat täysin muuttaa käsityksiä perustavista fysikaalisista prosesseista. Juuri tällainen löytö tehtiin 1700-luvulla Saksassa löydetystä meteoriitista. Myöhemmin sama mineraali löydettiin Marsista. Tutkijat ovat havainneet, että se käyttäytyy eri tavalla kuin kaikki tunnetut maapallon mineraalit. Sen lämmönjohtavuus pysyy vakiona lämpötilan muutoksista riippumatta. Tämä ominaisuus kyseenalaistaa lämpösiirron tutut lait ja avaa valtavia mahdollisuuksia tulevaisuuden teknologioille.
Kaikki maapallon materiaalit voidaan jakaa kahteen suureen luokkaan: kiteisiin ja lasiin. Kiteissä atomit ovat järjestyneet tiukkaan järjestykseen, ja lämpötilan noustessa niiden lämmönjohtavuus laskee. Lasissa atomit ovat sijoittuneet kaoottisesti, ja kuumennettaessa lämmönjohtavuus päinvastoin kasvaa. Uusi aine, mineraali tridymitti, osoittautui ”hybridiksi” – se yhdistää kiteen ja lasin ominaisuudet, mutta ei noudata kumpaakaan näistä riippuvuuksista. Sen lämmönjohtavuus ei muutu lainkaan, mikä tekee siitä ainutlaatuisen koko tunnetun fysiikan mittakaavassa.
Tämä käyttäytyminen selittyy erityisellä rakenteella – tridymitin atomit eivät ole järjestyneet täydellisesti, kuten kiteessä, mutta eivät myöskään täysin kaoottisesti, kuten lasissa. Juuri tämä välimuotoinen rakenne on synnyttänyt ilmiön, jota aiemmin pidettiin mahdottomana. Tutkijat vertaavat sitä 1900-luvun alussa löydettyyn ”invar-ilmiöön”. Tuolloin löydettiin seos, joka ei laajennu juuri lainkaan kuumennettaessa, mikä toi sen keksijälle Nobelin fysiikan palkinnon.
Epätavallinen mineraali havaittiin ensimmäisen kerran meteoriitissa, joka putosi Saksaan vuonna 1724. Myöhemmin sen jälkiä löydettiin myös Marsista, mikä viittaa sen avaruusperäiseen alkuperään. Teoreettisten laskelmien vahvistamiseksi Sorbonnen tutkijat saivat käyttöönsä näytteen Pariisin kansallisesta luonnontieteellisestä museosta ja tekivät sarjan kokeita. Ne osoittivat, että mineraalin lämmönjohtavuus pysyy todellakin muuttumattomana laajalla lämpötila-alueella –190…+100 °C.
Tällä löydöllä on paitsi perustavanlaatuinen myös käytännön merkitys. Jo nyt tutkijat uskovat, että tällaisia materiaaleja voidaan käyttää teollisuudessa, jossa on kestettävä äärimmäisiä lämpötilanvaihteluita. Yksi esimerkki on teräksen tuotanto, joka liittyy valtaviin energiakustannuksiin ja hiilidioksidipäästöihin. Mineraalit, joilla on ”avaruusolentojen” ominaisuuksia, voivat auttaa lämpötilan hallitsemisessa tehokkaammin ja siten vähentää metallurgian hiilijalanjälkeä sekä parantaa teräksen laatua.
Lisäksi lämmönsiirron hallinta on monien nykyaikaisten teknologioiden perusta. Lämpösuojien laatu vaikuttaa avaruusaluksien ja lentokoneiden luotettavuuteen, ja lämpösähköisten laitteiden tehokkuus vaikuttaa kykyyn kerätä ja hyödyntää hukkaan menevää energiaa. Lisäksi uudet materiaalit voivat muuttaa mikroelektroniikan kehitystä, jossa sirujen ylikuumeneminen on edelleen yksi suurimmista ongelmista.
Michele Simonchellin johtama tutkijaryhmä Columbian yliopistosta käytti kvanttifysiikan ja koneoppimisen menetelmiä kuvaamaan mineraalin käyttäytymistä atomitasolla. Heidän mallinsa auttaa ennustamaan, miten muutokset aineen rakenteessa vaikuttavat lämmönsiirtoon, ja luomaan tämän perusteella tulevaisuuden materiaaleja. Lupaavia sovellusalueita ovat ihmiskehon lämmöllä toimivat puettavat laitteet, aivojen toimintaa jäljittelevät neuromorfiset tietokoneet ja spintroniset laitteet, joissa tiedonhallinta perustuu hiukkasten magneettisiin ominaisuuksiin.
Yhteenvetona voidaan sanoa, että ”avaruusmineraalin” löytäminen, joka rikkoo lämpösiirron tuttuja lakeja, avaa ihmiskunnalle uusia näköaloja. Sen ainutlaatuiset ominaisuudet voivat myös selittää planeettojen lämpöhistorian. Tämä on harvinainen esimerkki siitä, kuinka avaruudesta tehty löytö voi muuttaa jokapäiväistä elämää maapallolla, ja ehkä jo lähivuosikymmeninä näemme ensimmäisiä käytännön sovelluksia tälle materiaalille.
