Een gezamenlijk onderzoeksteam, geleid door de Universiteit van Liverpool, heeft een nieuw anorganisch materiaal ontdekt met de laagste thermische geleidbaarheid ooit gerapporteerd. Deze ontdekking maakt de weg vrij voor de ontwikkeling van nieuwe thermo-elektrische materialen die van cruciaal belang zijn voor een duurzame samenleving.

Gerapporteerd in het journaal Wetenschap , deze ontdekking betekent een doorbraak in de controle van de warmtestroom op atomaire schaal, bereikt door materiaalontwerp. Het biedt fundamenteel nieuwe inzichten in de omgang met energie. Het nieuwe inzicht versnelt de ontwikkeling van nieuwe materialen voor het omzetten van restwarmte in stroom en voor een efficiënt gebruik van brandstoffen.

Het onderzoeksteam, geleid door professor Matt Rosseinsky van de afdeling Chemie en Materialen Innovation Factory van de universiteit en Dr. Jon Alaria van de afdeling Natuurkunde van de universiteit en het Stephenson Institute for Renewable Energy, ontwierp en synthetiseerde het nieuwe materiaal zodat het twee verschillende arrangementen van atomen combineerde waarvan werd vastgesteld dat ze de snelheid waarmee warmte door de structuur van een vaste stof beweegt, vertragen.

Ze identificeerden de mechanismen die verantwoordelijk zijn voor het verminderde warmtetransport in elk van deze twee opstellingen door de thermische geleidbaarheid van twee verschillende structuren te meten en te modelleren, die elk een van de vereiste regelingen bevatten.

Het combineren van deze mechanismen in één materiaal is moeilijk, omdat de onderzoekers precies moeten bepalen hoe de atomen erin zijn gerangschikt. Intuïtief, wetenschappers zouden een gemiddelde verwachten van de fysieke eigenschappen van de twee componenten. Door gunstige chemische interfaces te kiezen tussen elk van deze verschillende atomaire arrangementen, het team heeft experimenteel een materiaal gesynthetiseerd dat beide combineert (weergegeven als de gele en blauwe platen in de afbeelding).

Dit nieuwe materiaal, met twee gecombineerde arrangementen, heeft een veel lagere thermische geleidbaarheid dan elk van de moedermaterialen met slechts één opstelling. Dit onverwachte resultaat toont het synergetische effect van de chemische controle van atomaire locaties in de structuur, en is de reden waarom de eigenschappen van de hele structuur superieur zijn aan die van de twee afzonderlijke delen.

Als we de thermische geleidbaarheid van staal nemen als 1, dan is een titanium staaf 0,1, water en een bouwsteen is 0,01, het nieuwe materiaal is 0,001 en lucht is 0,0005.

Ongeveer 70 procent van alle energie die in de wereld wordt opgewekt, wordt verspild als warmte. Materialen met een lage thermische geleidbaarheid zijn essentieel om dit afval te verminderen en te benutten. De ontwikkeling van nieuwe en efficiëntere thermo-elektrische materialen, die warmte kan omzetten in elektriciteit, wordt beschouwd als een belangrijke bron van schone energie.

Professor Matt Rosseinsky zei:"Het materiaal dat we hebben ontdekt heeft de laagste thermische geleidbaarheid van alle anorganische vaste stoffen en is een bijna net zo slechte warmtegeleider als lucht zelf."

"De implicaties van deze ontdekking zijn aanzienlijk, zowel voor fundamenteel wetenschappelijk inzicht als voor praktische toepassingen in thermo-elektrische apparaten die afvalwarmte oogsten en als thermische barrièrecoatings voor efficiëntere gasturbines."

Dr. Jon Alaria zei:"De opwindende bevinding van deze studie is dat het mogelijk is om de eigenschap van een materiaal te verbeteren met behulp van complementaire natuurkundige concepten en geschikte atomistische interfacing. Naast warmtetransport, deze strategie zou kunnen worden toegepast op andere belangrijke fundamentele fysische eigenschappen zoals magnetisme en supergeleiding, wat leidt tot minder energieverbruik en efficiënter transport van elektriciteit."