«То, как мы производим электричество сегодня, загрязняет окружающую среду», — сказал Генри, профессор машиностроения в Технологическом институте Джорджии. «Мои исследования в первую очередь направлены на то, чтобы превратить нас из инфраструктуры, основанной на ископаемом топливе, в инфраструктуру на основе возобновляемых источников или солнечной энергии, чтобы мы могли полагаться на возобновляемые формы энергии, которые вообще не загрязняют мир.«Я лично считаю это спасением мира».То, что отличает подход Генри к энергетическим проблемам от других инженеров, — это его опыт компьютерного моделирования на атомном уровне.
«Я понимаю различные процессы с точки зрения того, что происходит на атомном уровне», — сказал Генри. «Это позволяет мне развивать понимание и возможности для новых идей, которые отличаются от других, исходящих с макроскопического уровня».Его исследования в значительной степени заинтересованы в том, как работает теплопередача в мельчайших масштабах.В октябре Генри опубликовал результаты исследования аморфного диоксида кремния, широко известного как стекло, в журнале Nature Scientific Reports, который дал ответ на давнюю загадку повседневного материала: почему его теплопроводность повышается с температурой.Перенос тепла в аморфном кремнии определяется поведением фононов в материале.
Фононы похожи на электроны или фотоны в том, что они переносят тепло, но вместо того, чтобы происходить из электромагнитного излучения или отрицательно заряженных субатомных частиц, они связаны с коллективными колебаниями атомов.Ученые могут точно предсказать теплопроводность многих кристаллических материалов, используя выражения, основанные на широко используемой «модели фононного газа». Однако моделирование теплопередачи в аморфных материалах, в которых отсутствует порядок и периодичность кристалла, является более сложной задачей.
«В отличие от кристаллических материалов, где вибрации становятся коллективными движениями, которые действуют как звуковые волны, в аморфных материалах вы получаете разные виды вибраций, большинство из которых выглядят случайными, как и основная структура», — объяснил Генри. «Вы даже получаете небольшие локализованные колебания, состоящие всего из десятков атомов».Было известно, что эти небольшие колебания существуют, но никто никогда не оценивал, насколько они способствуют теплопередаче.«Предполагалось, что они вообще ничего не делают», — сказал Генри. «Но что было удивительно, что мы обнаружили с помощью нашего нового метода, так это то, что в этом конкретном материале локализованные моды вносят существенный вклад».
Используя суперкомпьютер Stampede в Техасском центре современных вычислений — одном из самых мощных в мире — Генри провел моделирование, которое как никогда раньше улавливало поведение локализованных вибраций.Результаты не только совпали с экспериментальными, они обнаружили, что локализованные моды вносят более 10 процентов в общую теплопроводность и в значительной степени ответственны за увеличение теплопроводности аморфного кремния выше комнатной температуры.
«Эти расчеты, которые производятся, невозможно выполнить на одной машине. Чтобы получить ответ, придется ждать годы», — сказал он. «Возможность разбить проблему на сотни или тысячи отдельных частей, которые выполняются одновременно, и делать это массово параллельно, полностью дает возможность».Теплопроводность стекла играет важную роль в энергоэффективности.
«Двузначные проценты от всего энергопотребления в США связаны со стеклом», — сказал Генри. «Главное место, где вы теряете тепло, — это окна».Мало того: аморфный кремний используется в солнечных элементах, а большинство полимеров — пластмасс, — например, используемых в персональной электронике, состоят из аморфных материалов.
Успехи Генри в улавливании атомных колебаний стекла были связаны с разработкой нового способа изучения динамики фононов, который он создал вместе с Вэем Львом, докторантом в его лаборатории, известной как Модальный анализ Грина-Кубо ( GKMA), новый метод использует моделирование молекулярной динамики для более точного расчета вклада различных форм вибрации в теплопроводность.В декабре 2016 года Генри и Львов опубликовали широкий анализ GKMA по сравнению с моделью фононного газа в Nature Scientific Reports. Их результаты убедительно показывают, что модель фононного газа неприменима к аморфным твердым телам.
Исследование частично поддержано премией CAREER от Национального научного фонда (NSF).Метод ГКМА может применяться к широкому спектру материалов, включая сплавы, другие аморфные твердые тела и даже жесткие молекулы.Понимание и точное моделирование этих систем может привести к созданию более эффективных и энергоэффективных форм повседневных материалов.«Проект Asegun является прекрасным примером усилий, поддерживаемых NSF: базовых, очень сложных, но потенциально разрушительных для инженерной практики», — сказал Хосе Лаге, директор программы NSF Thermal Transport Processes. «Его усилия находятся в авангарде одной из самых захватывающих новых областей исследований процессов теплопереноса и уже повлияли на наше понимание очень сложного инженерного явления».
В конечном итоге Генри надеется использовать полученные знания для выявления и разработки материалов с беспрецедентными свойствами — материалов, которые могут передавать тепло гораздо более эффективно, и потенциально даже сверхпроводящих материалов.«Мы находимся на грани того, чтобы подтолкнуть наше сообщество к переосмыслению проблемы теплопроводности и использованию поведения для достижения свойств, которые ранее считались невозможными», — сказал он.Ультразвуковые симуляции
Ученые обычно понимают данные с помощью графиков и визуализаций. Но можно ли использовать звук для интерпретации сложной информации?Генри считает, что это так, основываясь на своем личном опыте, полученном при регистрации атомных колебаний.
Его усилия начались, когда он пытался понять результаты моделирования вытянутой полимерной цепи.«Если вы посмотрите на данные, это будет похоже на белый шум», — сказал Генри. «Мы решили обработать данные ультразвуком, и как только мы их прослушали, мы смогли услышать закономерность».Генри, имеющий музыкальное образование, говорит, что это имеет смысл, учитывая естественные способности мозга обрабатывать звук.
«Человеческое ухо лучше распознает образы, чем глаз», — сказал Генри. «Если вы взаимодействуете с органом, который лучше, вы можете найти закономерности, которые не очевидны».С тех пор он исследовал вибрации различных материалов, чтобы исследовать их значение.«Когда вы слушаете говорящего, магнит совершает те же движения, что и атом», — сказал он.Превращение атомных свойств в звук также может быть эффективным способом заинтересовать студентов физикой и материаловедением.
В рамках своей награды NSF CAREER Генри руководил летней информационно-просветительской программой, в которой афроамериканцы и студентки, учителя музыки и старшеклассники работают над преобразованием вибраций атомов в звуковые файлы.Они будут генерировать результаты для всей таблицы Менделеева и распространять свои выводы через мобильное приложение, которое позволяет вам слушать каждый элемент.
Люди смогут использовать мобильное приложение для создания музыки из этих звуков, предоставляя публике новый способ узнать и оценить красоту химии.«Подход с использованием ультразвуковой обработки является довольно общим и может иметь значение для многих областей, поскольку он использует основное свойство человеческого слуха, а не зрения», — сказал Генри. «Надеюсь, наше приложение найдет более широкое применение в науке и технике».