Forskere opdager et nyt uorganisk materiale med den laveste varmeledningsevne, der nogensinde er rapporteret

Et samarbejde forskerhold, ledet af University of Liverpool, har opdaget et nyt uorganisk materiale med den laveste varmeledningsevne, der nogensinde er rapporteret. Denne opdagelse baner vejen for udviklingen af ​​nye termoelektriske materialer, der vil være afgørende for et bæredygtigt samfund.

Rapporteret i journalen Videnskab , denne opdagelse repræsenterer et gennembrud i kontrollen af ​​varmestrømmen på atomær skala, opnås ved materialedesign. Det giver grundlæggende ny indsigt i styring af energi. Den nye forståelse vil fremskynde udviklingen af ​​nye materialer til omdannelse af spildvarme til strøm og til effektiv brug af brændstoffer.

Forskerholdet, ledet af professor Matt Roseinsky ved universitetets afdeling for kemi og materialeinnovationsfabrik og Dr. Jon Alaria ved universitetets fysikafdeling og Stephenson Institute for Renewable Energy, designet og syntetiserede det nye materiale, så det kombinerede to forskellige arrangementer af atomer, der hver viste sig at bremse den hastighed, hvormed varmen bevæger sig gennem strukturen af ​​et fast stof.

De identificerede de mekanismer, der er ansvarlige for den reducerede varmetransport i hver af disse to arrangementer ved at måle og modellere de termiske ledningsevner af to forskellige strukturer, som hver indeholdt et af de påkrævede arrangementer.

Det er svært at kombinere disse mekanismer i et enkelt materiale, fordi forskerne skal kontrollere præcis, hvordan atomerne er arrangeret i det. Intuitivt, forskere ville forvente at få et gennemsnit af de to komponenters fysiske egenskaber. Ved at vælge gunstige kemiske grænseflader mellem hver af disse forskellige atomarrangementer, holdet syntetiserede eksperimentelt et materiale, der kombinerer dem begge (repræsenteret som de gule og blå plader på billedet).

Dette nye materiale, med to kombinerede arrangementer, har en meget lavere varmeledningsevne end begge grundmaterialer med kun ét arrangement. Dette uventede resultat viser den synergiske virkning af den kemiske kontrol af atomare placeringer i strukturen, og er grunden til, at egenskaberne af hele strukturen er overlegne i forhold til de to individuelle dele.

Hvis vi tager stålets varmeledningsevne som 1, så er en titanium bar 0,1, vand og en byggesten er 0,01, det nye materiale er 0,001 og luft er 0,0005.

Cirka 70 procent af al den energi, der genereres i verden, går til spilde som varme. Materialer med lav varmeledningsevne er afgørende for at reducere og udnytte dette affald. Udvikling af nye og mere effektive termoelektriske materialer, som kan omdanne varme til elektricitet, betragtes som en nøglekilde til ren energi.

Professor Matt Rosseinsky sagde:"Det materiale, vi har opdaget, har den laveste termiske ledningsevne af noget uorganisk fast stof og er næsten lige så dårlig en varmeleder som luften selv."

"Konsekvenserne af denne opdagelse er betydelige, både for grundlæggende videnskabelig forståelse og for praktiske anvendelser i termoelektriske enheder, der høster spildvarme og som termiske barrierebelægninger til mere effektive gasturbiner. "

Dr. Jon Alaria sagde:"Det spændende resultat af denne undersøgelse er, at det er muligt at forbedre egenskaben af ​​et materiale ved hjælp af komplementære fysikkoncepter og passende atomistisk grænseflade. Ud over varmetransport, denne strategi kan anvendes på andre vigtige grundlæggende fysiske egenskaber såsom magnetisme og superledning, hvilket fører til lavere energiberegning og mere effektiv transport af elektricitet. "