Ένα νέο υλικό αφήνει τη θερμότητα να περάσει με εξαιρετική δυσκολία, αν και είναι έως και 10.000 φορές πιο άκαμπτο από τη σιλικόνη που χρησιμοποιείται στα γάντια φούρνου.
Ερευνητές στο Κρατικό Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας (NC State) σχεδίασαν ένα λεπτό υμένιο (φιλμ) που συνδυάζει εξαιρετική ακαμψία με ακραία θερμομόνωση.
Η θερμική του αγωγιμότητα κατατάσσεται μεταξύ των χαμηλότερων που έχουν καταγραφεί ποτέ για πυκνό, μη πορώδες υλικό, προσεγγίζοντας το θεωρητικό όριο του πόσο αποτελεσματικά μπορεί ένα τέτοιο υλικό να μπλοκάρει τη θερμότητα. Το υμένιο μπορεί επίσης να εκτυπωθεί σε μεγάλες κλίμακες και να εφαρμοστεί ως επίστρωση.
«Τα άκαμπτα υλικά που είναι καλοί θερμομονωτές θα είχαν σημαντική χρησιμότητα σε μια ποικιλία εφαρμογών, από σκεύη μαγειρικής μέχρι ηλεκτρονικές συσκευές και διαστημικά ταξίδια», αναφέρει ο Ντάλι Σαν (Dali Sun), καθηγητής φυσικής στο NC State και συν-συγγραφέας της επιστημονικής δημοσίευσης που περιγράφει τη μελέτη.
Σπάζοντας τον «δεσμό» ανάμεσα στην ακαμψία και τη ροή της θερμότητας
Η δημιουργία ενός υλικού με αμφότερες τις ιδιότητες είναι εξαιρετικά δύσκολη, επειδή η ακαμψία και η μεταφορά θερμότητας συμβαδίζουν. Τα υλικά που ανθίστανται στην παραμόρφωση συνήθως άγουν καλά τη θερμότητα, ενώ οι αποτελεσματικοί μονωτές τείνουν να είναι λιγότερο άκαμπτοι.
«Πρόκειται για μια σημαντική πρόκληση», αναφέρει ο Σαν. «Επειδή, σε γενικές γραμμές, τα άκαμπτα υλικά είναι καλοί αγωγοί της θερμότητας, ενώ τα υλικά που δεν είναι άκαμπτα είναι καλοί θερμομονωτές. Εμείς δημιουργήσαμε ένα υλικό που είναι πολύ άκαμπτο και ταυτόχρονα εξαιρετικά καλό στη μόνωση κατά της θερμότητας. Καλύτερο από οποιοδήποτε υλικό θα μπορούσατε να βρείτε στη φύση».
Η προηγούμενη έρευνα της ομάδας είχε εντοπίσει μια ασυνήθιστη σχέση μεταξύ αυτών των ιδιοτήτων σε μια συγκεκριμένη οικογένεια υλικών. Η νέα μελέτη προχώρησε πέρα από την απλή παρατήρηση αυτής της συμπεριφοράς, σχεδιάζοντας εσκεμμένα μια πιο ακραία εκδοχή της.
«Είχαμε επιδείξει στο παρελθόν μια ασυνήθιστη συμπεριφορά σχετικά με τον συνδυασμό ακαμψίας και θερμικής αγωγιμότητας σε μια συγκεκριμένη κατηγορία υλικών», δηλώνει ο Τζουν Λιου (Jun Liu), αναπληρωτής καθηγητής μηχανολογίας και αεροδιαστημικής μηχανικής στο NC State και συγγραφέας της μελέτης. «Για αυτή την εργασία, προχωρήσαμε σε πιο προηγμένη μοριακή μηχανική για να δημιουργήσουμε σκόπιμα έναν ακραίο συνδυασμό αυτών των ιδιοτήτων».
Αναδομώντας το υλικό «εκ των έσω»: Η αρχιτεκτονική πίσω από την ανακάλυψη
Οι ερευνητές εργάστηκαν με μια υποκατηγορία δισδιάστατων υβριδικών οργανικών-ανοργάνων περοβσκιτών. Αυτά τα ημιαγώγιμα υμένια (φιλμ) περιέχουν εναλλασσόμενα οργανικά και ανόργανα στρώματα, διατεταγμένα σε μια εξαιρετικά δομημένη κρυσταλλική δομή.
Για να αλλάξει τη συμπεριφορά των υμενίων, η ομάδα αντικατέστησε ορισμένες αλυσίδες άνθρακα-άνθρακα στα οργανικά στρώματα με έναν ειδικά προσαρμοσμένο συνδυασμό δακτυλίων βενζολίου. Αυτές οι μοριακές αλλαγές επέτρεψαν στους ερευνητές να ελέγξουν τόσο την ακαμψία του υλικού όσο και την ικανότητά του να μεταφέρει θερμότητα.
Το υμένιο αζοβενζολο-αιθυλο-αμμωνίου-ιωδιούχου μολύβδου που προέκυψε είχε θερμική αγωγιμότητα περίπου 0,04 Watt ανά μέτρο ανά Kelvin σε θερμοκρασία δωματίου. Η σιλικόνη έχει αντίστοιχη τιμή περίπου 0,2 Watt ανά μέτρο ανά Kelvin. Υπό πανομοιότυπες συνθήκες, αυτή η χαμηλότερη τιμή σημαίνει ότι το νέο υμένιο άγει μόλις το ένα πέμπτο της θερμότητας που άγει η σιλικόνη.
«Επομένως, αν θέλουμε να συγκρίνουμε αυτό το υλικό με τη σιλικόνη, το υλικό που φτιάξαμε είναι 700 έως 10.000 φορές πιο άκαμπτο και πέντε φορές καλύτερο στη θερμομόνωση», αναφέρει ο Λιου.
Λεπτά υμένια με «ανοιχτό» τον δρόμο για τη μαζική βιομηχανική παραγωγή
Πέρα από τις ασυνήθιστες ιδιότητές του, το υμένιο προσφέρει μια μέθοδο παραγωγής η οποία, σύμφωνα με τους ερευνητές, μπορεί εύκολα να επεκταθεί σε μεγαλύτερη κλίμακα. Η εφαρμογή του ως επίστρωση θα μπορούσε να καταστήσει τον συνδυασμό ακαμψίας και μόνωσης ιδιαίτερα χρήσιμο σε διάφορους τύπους εξοπλισμού.
«Επιπλέον, η μέθοδος που χρησιμοποιήσαμε για την παραγωγή αυτού του υλικού μπορεί να αναβαθμιστεί σε βιομηχανική κλίμακα αρκετά εύκολα», αναφέρει ο Λιου. «Μπορείτε να το παράγετε σε αρκετά μεγάλες ποσότητες, να το εφαρμόσετε ως επίστρωση και ούτω καθεξής».
«Είμαστε ενθουσιασμένοι με αυτό το υλικό λόγω των ιδιοτήτων του», συμπληρώνει ο Λιου. «Αλλά είμαστε εξίσου ενθουσιασμένοι επειδή αυτή η εργασία αναδεικνύει τις δυνατότητες της μοριακής μηχανικής να ρυθμίζει με ακρίβεια αυτά τα υβριδικά στρωματικά υλικά, ώστε να χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές που απαιτούν πρωτοποριακούς συνδυασμούς ακαμψίας και θερμομόνωσης».
Η εργασία αυτή πραγματοποιήθηκε με την υποστήριξη του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών των ΗΠΑ (NSF), στο πλαίσιο των επιχορηγήσεων 1943813, 2154791, 2143642, 2311573, 2521954· του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ, στο πλαίσιο της επιχορήγησης DE-SC0020992· του Γραφείου Ναυτικών Ερευνών, στο πλαίσιο της επιχορήγησης N000142012155· καθώς και του Κληροδοτήματος Διακεκριμένου Καθηγητή Καινοτομίας Goodnight (Goodnight Innovation Distinguished Professor Endowment).
