무정질 재료에서 열 수송을 이해하는 것은 건물, 차량, 항공우주 및 음향 기술을 포함한 광범위한 응용 분야에서 매우 중요하다. 그럼에도 불구하고 무정질 구조에서 열 운반자(carrier)의 기본 거동은 여전히 충분히 규명되지 않았으며, 평균 자유 경로가 약 1 nm인 국소화된 진동 모드에 기인한다고 흔히 간주되어 열 기능을 공학적으로 설계하는 데 상당한 어려움을 초래한다. 본 연구에서는 메조다공성 실리카에 대한 실험적 측정과 몬테카를로 시뮬레이션 및 머신러닝 모델을 이용한 원자 수준 분석을 수행하여 나노아키텍처(nanoarchitecture)와 유효 열전도도 사이의 관계를 정량화한다. 합리적인 화학적 합성 및 초고속 분광(ultrafast spectroscopy) 측정을 통해 10 nm 미만의 영역에서 강한 크기 의존성이 관찰되며, 이때 다공성 및 기공 크기의 영향을 설명하지 못하는 고전적 푸리에(Fourier) 열전도 이론이 적용되지 않는다. 이러한 확산 수송과의 일탈은 비전파(non-propagating) 모드뿐 아니라 전파(propagating) 진동 모드의 기여가 유의미함에 기인하며, 결과적으로 무정질 실리카에서 열 운반자의 평균 자유 경로가 비정상적으로 길고 탄도(ballistic) 열 수송이 나타남을 시사한다. 또한 무정질 실리카의 기초 진동 모드는 스펙트럼 의존적 볼츠만 수송 방정식(spectral-dependent Boltzmann transport equation) 시뮬레이션과 머신러닝 퍼텐셜을 이용한 분자역학으로 추가로 조사하였으며, 실험 결과와의 일치도가 양호함을 확인하였다. 본 연구는 메조다공성 실리카에서 나노스케일로 조절된 열 수송 특성에 대한 유용한 통찰을 제공하며, 열 절연 재료의 합리적 설계에 대한 새로운 기회를 열어준다.

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