Forskere skaber materialer med en unik kombination af stivhed, termisk isolering

Forskere har demonstreret evnen til at konstruere materialer, der både er stive og i stand til at isolere mod varme. Denne kombination af egenskaber er ekstremt usædvanlig og lover for en række anvendelser, såsom udviklingen af ​​nye termiske isoleringsbelægninger til elektroniske enheder.

"Materialer, der har et højt elasticitetsmodul, har en tendens til også at være meget termisk ledende, og omvendt," siger Jun Liu, der er co-korresponderende forfatter til et papir om arbejdet og en lektor i mekanisk og rumfartsteknik ved North Carolina State University.

"Med andre ord, hvis et materiale er stift, gør det et godt stykke arbejde med at lede varme. Og hvis et materiale ikke er stift, så er det normalt godt til at isolere mod varme.

"Men der er tilfælde, hvor du gerne vil have materialer, der er stive, men som også er gode isolatorer," siger Liu. "For eksempel vil du måske lave termiske isoleringsbelægninger for at beskytte elektronik mod høje temperaturer. Historisk set har det været en udfordring.

"Vi har nu opdaget en række materialer, der er både stive og fremragende termiske isolatorer. Desuden kan vi konstruere materialerne efter behov for at kontrollere, hvor stive de er, og hvor termisk ledende de er."

Specifikt arbejdede forskerne med en undergruppe af klassen af ​​materialer kaldet todimensionelle hybride organisk-uorganiske perovskiter (2D HOIP). Artiklen, "Anomalous correlation between thermal conductivity and elastic modulus in two-dimensional hybrid metal halide perovskites," er offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano .

"Dette er tynde film, der består af alternerende organiske og uorganiske lag i en meget ordnet krystallinsk struktur," siger Wei You, medtilsvarende forfatter til dette papir og professor i kemi og anvendt fysisk videnskab ved University of North Carolina i Chapel Hill. "Og vi kan justere sammensætningen af ​​enten det uorganiske eller organiske lag."

"Vi fandt ud af, at vi kan kontrollere elasticitetsmodulet og den termiske ledningsevne af nogle 2D HOIP'er ved at erstatte nogle af kulstof-carbon-kæderne i de organiske lag med benzenringe," siger Qing Tu, co-korresponderende forfatter til dette papir og en adjunkt. i materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved Texas A&M University. "Dybest set - inden for denne specifikke undergruppe af lagdelte materialer - jo flere benzenringe vi tilføjer, jo stivere bliver materialet, og jo bedre er det i stand til at isolere mod varme."

"Mens opdagelsen af ​​disse materialer i sig selv rummer et enormt potentiale for en række anvendelser, er vi som forskere særligt begejstrede, fordi vi har identificeret den mekanisme, der er ansvarlig for disse egenskaber - nemlig den kritiske rolle, som benzenringene spiller," siger Liu.

I eksperimenter fandt forskerne mindst tre forskellige 2D HOIP-materialer, der blev mindre termisk ledende, jo stivere de blev.

"Dette arbejde er spændende, fordi det foreslår en ny vej for ingeniørmaterialer med ønskværdige kombinationer af egenskaber," siger Liu.

Forskerne opdagede også et andet interessant fænomen med 2D HOIP-materialer. Specifikt fandt de ud af, at ved at indføre chiralitet i de organiske lag – dvs. at gøre kulstofkæderne i disse lag asymmetriske – kunne de effektivt opretholde den samme stivhed og varmeledningsevne, selv når der foretages væsentlige ændringer i sammensætningen af ​​de organiske lag.

"Dette rejser nogle interessante spørgsmål om, hvorvidt vi kan være i stand til at optimere andre egenskaber ved disse materialer uden at skulle bekymre os om, hvordan disse ændringer kan påvirke materialets stivhed eller termiske ledningsevne," siger Liu.

Flere oplysninger: Ankit Negi et al., Anomalous Correlation between Thermal Conductivity and Elastic Modulus in Two-Dimensional Hybrid Metal Halide Perovskites, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c12172

Journaloplysninger: ACS Nano

Leveret af North Carolina State University