晶體與玻璃的混合體在極端溫度變化下可以提供更穩定的導熱性 … 矽質耐火材料結構設計的新思考
(上圖) 隕石的鱗石英晶體（左）、具有晶體鍵序和非晶態鍵的幾何結構鱗石英（中）以及完全非晶態的二氧化矽玻璃（右）的示意圖。紅色代表氧，藍色代表矽，常見的 SiO4 四面體排列係以藍色陰影突出來做顯示。圖片來源：Simoncelli Lab, Columbia University
陶瓷和玻璃材料有很多共同點，包括極堅硬、化學惰性和良好的電絕緣性。但它們也因為原子結構的不同而分別表現出獨特的特性。
諸如，我們可以從陶瓷和玻璃的熱導率方向來思考。當這些材料被加熱時，其熱導率會有降低和升高的差異，這是由於熱導率在有序和無序結構中對原子振動所造成的影響而所產生出的不同結果。然而材料的晶體相結構，其有序性和無序性之間的界限並不會總是涇渭分明的，因此在這種情況下，不同熱傳輸途徑機制的共存性和補償性可能會導致多相材料表現出其在熱環境下的獨特行為。
2025年7月，發表在《美國國家科學院院刊》上的一篇論文描述了一種特殊晶體相與玻璃相混合材料的獨特熱性能。這項研究的成果有望改進耐火材料的配方和結構設計，而這得益於該研究作者六年前開發的相對較新的熱傳輸公式。
開發 Wigner 傳輸程式
2019年，Michele Simoncelli 博士與羅馬大學理論固體物理學教授 Francesco Mauri 合作，推導出熱傳輸的通用公式，該公式能夠同樣有效地描述晶體有序結構材料、晶體無序結構材料以及介於兩者之間的所有材料間的熱傳輸現象。
Wigner熱傳輸程式於2019年6月在 CTT 上發表，它成功地統一了經典的熱傳輸公式：簡單晶體的玻爾茲曼傳輸方程式（BTE）和諧波玻璃的艾倫-費爾德曼（AF）公式。其建立的通用公式關鍵在於考慮熱傳播的一個基本成分 — 量子穿隧效應。
“Phonon wave packets” 一詞解釋了晶格受熱所產生的振動波，不僅可以像量子一樣在空間中傳播，還可以像波一樣從一個分支穿隧到另一個分支，這是Michele Simoncelli 博士和他的同事在他們2019年的論文中所解釋的。雖然這種穿隧效應在完美晶體中可以忽略不計，但隨著系統無序性的增加，穿隧效應變得更加重要。
為了解釋量子穿隧效應，他們從量子力學的維格納相空間公式推導出了廣義傳輸方程式。然後，他們展示如何將這個廣義方程式簡化為經典的 BTE 和 AF 公式。其後，Michele Simoncelli 博士陸續與其他的夥伴一起成功地使用新開發的維格納傳輸程式（WTE）來合理化在一些複雜非諧晶體中觀察到的比預期溫和的電導率衰減結果。
晶體-玻璃混合物的熱恆溫特性
熱導率通常是一種與溫度相關的物理特性，隨著材料加熱而降低或升高。但在某些情況下，材料可以表現出隨著溫度變化的熱導率，這意味著熱導率在一定溫度範圍內可以保持恆溫穩定的特性。
先前對合金和玻璃的研究中，研究人員已證實了經典體系中溫度不變的電導率。但在這項新研究中，Simoncelli、Marzari 和 Mauri 利用 WTE 預測了鱗石英（一種在 20 世紀 60 年代被描述為隕石典型特徵的二氧化矽礦物晶體結構）的特定相，它在量子體系和經典體系中都表現出溫度不變的電導率特性。
正如哥倫比亞大學的新聞稿所解釋的那樣，Simoncelli 和他的同事需要一種方法並透過實驗來驗證關於鱗石英的熱性質理論。因此與法國Sorbonne大學的研究人員 Etienne Balan、Daniele Fournier 和 Massimiliano Marangolo 等人一起合作，他們獲得了巴黎國家自然歷史博物館的許可，並對1724年墜落在德國Steinbach的隕石上的鱗石英碎片樣本進行了實驗。
經過隕石樣本的熱反射分析結果證實了他們的預測：可及的溫度範圍內，鱗石英的熱導率在 80 K 至 380 K 的基本上可保持恆定狀態。
儘管隕石的熱間特性似乎與目前在工業應用的矽質耐火磚相去甚遠，但 Simoncelli 和他的同事指出，在耐火矽磚表面也有發現了鱗石英的礦物相結構。
因此，根據 Simoncelli 和他的研究團隊的結果，發現具鱗石英相的礦物材料「它可能被用來提高煉鋼爐的效率，因為在她們最新的研究報告中，討論到如何提高耐火矽磚的熱導率特性來節約能耗，從而可以減少在煉鋼製程的二氧化碳排放量」。
The paper, published in Proceedings of the National Academy of Sciences, is “Temperature-invariant crystal–glass heat conduction: From meteorites to refractories” (DOI: 10.1073/pnas.2422763122).
