Wetenschap
Onderzoekers creëren materialen met een unieke combinatie van stijfheid en thermische isolatie
Onderzoekers hebben het vermogen aangetoond om materialen te ontwikkelen die zowel stijf zijn als warmte-isolerend zijn. Deze combinatie van eigenschappen is uiterst ongebruikelijk en veelbelovend voor een reeks toepassingen, zoals de ontwikkeling van nieuwe thermische isolatiecoatings voor elektronische apparaten.
"Materialen met een hoge elasticiteitsmodulus hebben de neiging ook zeer thermisch geleidend te zijn, en omgekeerd", zegt Jun Liu, co-corresponderend auteur van een artikel over het werk en universitair hoofddocent mechanische en ruimtevaarttechniek aan de North Carolina State University.
"Met andere woorden:als een materiaal stijf is, kan het de warmte goed geleiden. En als een materiaal niet stijf is, dan is het meestal goed in het isoleren tegen warmte.
"Maar er zijn gevallen waarin je materialen wilt die stijf zijn, maar ook goede isolatoren zijn", zegt Liu. "Misschien wil je bijvoorbeeld thermische isolatiecoatings maken om elektronica tegen hoge temperaturen te beschermen. Historisch gezien was dat een uitdaging.
"We hebben nu een reeks materialen ontdekt die zowel stijf zijn als uitstekende thermische isolatoren. Bovendien kunnen we de materialen naar behoefte ontwikkelen om te bepalen hoe stijf ze zijn en hoe thermisch geleidend ze zijn."
Concreet werkten de onderzoekers met een subset van de klasse van materialen die tweedimensionale hybride organisch-anorganische perovskieten (2D HOIP) worden genoemd. Het artikel, "Anomalous correlatie tussen thermische geleidbaarheid en elastische modulus in tweedimensionale hybride metaalhalogenide perovskieten", is gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano .
"Dit zijn dunne films die bestaan uit afwisselende organische en anorganische lagen in een zeer geordende kristallijne structuur", zegt Wei You, co-corresponderend auteur van dit artikel en hoogleraar scheikunde en toegepaste natuurwetenschappen aan de Universiteit van North Carolina in Chapel Hill. "En we kunnen de samenstelling van de anorganische of organische laag afstemmen."
"We ontdekten dat we de elastische modulus en thermische geleidbaarheid van sommige 2D-HOIP's kunnen controleren door een deel van de koolstof-koolstofketens in de organische lagen te vervangen door benzeenringen", zegt Qing Tu, co-corresponderend auteur van dit artikel en assistent-professor. van materiaalkunde en techniek aan de Texas A&M University. "In principe geldt – binnen deze specifieke subset van gelaagde materialen – hoe meer benzeenringen we toevoegen, hoe stijver het materiaal wordt en hoe beter het in staat is om te isoleren tegen hitte."
"Hoewel de ontdekking van deze materialen op zichzelf een enorm potentieel biedt voor een reeks toepassingen, zijn we als onderzoekers bijzonder enthousiast omdat we het mechanisme hebben geïdentificeerd dat verantwoordelijk is voor deze kenmerken, namelijk de cruciale rol die de benzeenringen spelen", zegt Liu.
In experimenten vonden de onderzoekers ten minste drie verschillende 2D-HOIP-materialen die minder thermisch geleidend werden naarmate ze stijver werden.
"Dit werk is opwindend omdat het een nieuw pad suggereert voor technische materialen met wenselijke combinaties van eigenschappen", zegt Liu.
De onderzoekers ontdekten ook nog een ander interessant fenomeen met 2D HOIP-materialen. Concreet ontdekten ze dat door chiraliteit in de organische lagen te introduceren – dat wil zeggen door de koolstofketens in die lagen asymmetrisch te maken – ze effectief dezelfde stijfheid en thermische geleidbaarheid konden behouden, zelfs als ze substantiële veranderingen aanbrachten in de samenstelling van de organische lagen.
"Dit roept een aantal interessante vragen op over de vraag of we andere eigenschappen van deze materialen kunnen optimaliseren zonder ons zorgen te hoeven maken over hoe die veranderingen de stijfheid of thermische geleidbaarheid van het materiaal kunnen beïnvloeden", zegt Liu.