NCCR MARVEL研究人员开发了一种新颖的微观理论，能够以非常一般的方式描述热传递，并且同样适用于有序或无序材料，如晶体或玻璃，以及介于两者之间的任何物质。这不仅是一个重要的第一 - 没有传输方程到目前为止能够同时考虑这两种方案 - 它还令人惊讶地表明，热量可以通过量子力学隧道，而不是像原子振动一样扩散。新方程还允许首次准确预测热电材料的性能。这种材料具有超低玻璃般的导热性，在能源研究中备受追捧。它们可以将热量转化为电能，或者使用电力进行冷却，而无需泵和对环境有害的气体。
晶体和玻璃以基本不同的方式传导热量。晶体中原子的规则排列意味着通过振动波的传播来传导热量 - 例如，在计算机中的硅芯片中发生这种情况。
在无序到原子尺度的玻璃中，通过随机的振动跳跃，热量传递得更慢。1929年，物理学家鲁道夫·皮尔斯(Rudolf Peierls)为描述热传递奠定了基础，将晶体应用于玻尔兹曼最近的传输理论，并推导出着名的声子传输方程 - 从那时起它一直是传热学微观理论的坚定支柱。
经过数十年的发展，并受到快速发展的分子动力学模拟领域的支持，菲利普艾伦和约瑟夫费尔德曼在1989年采用了适用于眼镜的方程式。现在，MARVEL的科学家已经找到了如何得出一个更通用的配方，它同样很好地描述了两类材料，以及介于两者之间的所有材料。
在论文“晶体和玻璃中的热传输统一理论”中，现在出现在自然物理学，EPFL博士学位。学生Michele Simoncelli，以及NCCR MARVEL主任Nicola Marzari和材料研究所教授，以及罗马La Sapienza大学的同事Francesco Mauri，从耗散量子系统的一般理论得出了微观方程式。考虑到传热的颗粒状和波状特征。
事实证明，Peierls已经放弃了热传播中的一个关键组件，其中振动激发可以从一个状态隧道到另一个状态。虽然这种隧道效应在完美晶体中可以忽略不计，但随着系统变得混乱，它们变得更加相关，而在玻璃中，它们产生了艾伦 - 费尔德曼的形式主义。但是新方程更加通用，并且可以以相同的精度应用于任何材料，包括所有已知振动激励的出现和共存。至关重要的是，这种新的热传导理论涵盖了类似水晶和玻璃的材料 - 这些材料具有重要的技术重要性，因为它们可以是非常好的热电材料，即可以将热量转化为电能或将电能转化为冷却的材料。
热电材料在能源应用中具有重要意义，因为它们可利用来自工业过程，汽车和卡车发动机或太阳的热量产生电能。拥有更高效的热电材料(约为现行标准的三倍)将彻底改变我们的所有制冷和空调技术，因为热电材料可以反向使用并利用电力进行冷却而不是通过热量发电。值得注意的是，1926年至1934年，阿尔伯特·爱因斯坦从事冰箱工作八年，并且在他的智力高峰期，与他的学生LeóSzilárd一起，他为一台没有活动部件的冰箱申请了专利，就像热电冰箱一样。
然而，创建这样的设备需要彻底了解热传导的方式和程度。到目前为止，理论和建模的成功有限。一个好的热电需要是一个电导体，因此是非常结晶的，但也是一个绝热体，因而非常玻璃状 - 它需要能够在器件的两个不同侧面上承载和冷凝正电荷和负电荷，从而产生电气潜力。根据迄今为止可用的热传输方程，尝试将热电材料视为晶体或玻璃，但是会导致非常大的误差，因此很难预测它们的效率。
本文概述的新理解和更准确的热导率估算以及电导率数据将使科学家们能够计算出热电材料的“品质因数”，并对其效率进行估算。借助这一关键信息，研究人员将能够首先利用计算技术筛选潜在的材料，从而加速这些新技术的发展道路。