Новый неорганический материал с самой низкой теплопроводностью, о которой когда-либо сообщалось

Сообщается в журнале Наука, Это открытие представляет собой прорыв в управлении тепловым потоком в атомном масштабе, достигнутый с помощью дизайна материалов. Он предлагает принципиально новый взгляд на управление энергией. Новое понимание ускорит разработку новых материалов для преобразования отработанного тепла в энергию и для эффективного использования топлива.

Исследовательская группа во главе с профессором Мэттом Россейнски на факультете химии университета и Фабрикой инновационных материалов и доктором Джоном Аларией на факультете физики Университета и в Институте возобновляемых источников энергии Стивенсона спроектировала и синтезировала новый материал таким образом, чтобы он объединил две разные схемы атомы, каждый из которых, как было обнаружено, замедляет скорость, с которой тепло движется через структуру твердого тела.

Они определили механизмы, ответственные за снижение теплопередачи в каждой из этих двух схем, путем измерения и моделирования теплопроводности двух различных структур, каждая из которых содержала одно из требуемых устройств.

Объединить эти механизмы в одном материале сложно, потому что исследователи должны точно контролировать, как атомы расположены внутри него. Интуитивно ученые ожидали получить среднее значение физических свойств двух компонентов. Выбрав подходящие химические интерфейсы между каждым из этих различных атомных расположений, команда экспериментально синтезировала материал, который объединяет их оба (представленные желтыми и синими пластинами на изображении).

Этот новый материал с двумя комбинированными компоновками имеет гораздо более низкую теплопроводность, чем любой из исходных материалов с единственной компоновкой. Этот неожиданный результат показывает синергетический эффект химического контроля расположения атомов в структуре и является причиной того, что свойства всей структуры превосходят свойства двух отдельных частей.

Если принять теплопроводность стали за 1, то титановый стержень – 0,1, вода и строительный кирпич – 0,01, новый материал – 0,001, а воздух – 0,0005.

Примерно 70 процентов всей энергии, производимой в мире, расходуется в виде тепла. Материалы с низкой теплопроводностью необходимы для сокращения и утилизации этих отходов. Разработка новых и более эффективных термоэлектрических материалов, которые могут преобразовывать тепло в электричество, считается ключевым источником чистой энергии.

Профессор Мэтт Россейнски сказал: «Обнаруженный нами материал имеет самую низкую теплопроводность среди всех неорганических твердых тел и почти так же плохо проводит тепло, как и сам воздух.

«Значение этого открытия имеет большое значение как для фундаментального научного понимания, так и для практического применения в термоэлектрических устройствах, улавливающих отходящее тепло, и в качестве термобарьерных покрытий для более эффективных газовых турбин».

Д-р Джон Алария сказал: «Захватывающее открытие этого исследования состоит в том, что можно улучшить свойства материала, используя дополнительные физические концепции и соответствующее атомистическое взаимодействие. Помимо переноса тепла, эта стратегия может быть применена к другим важным фундаментальным физическим свойствам, таким как магнетизм и сверхпроводимость, что приведет к снижению энергопотребления и более эффективной транспортировке электричества ».