Een dunne coating van MXene-materiaal zou dikke isolatielagen kunnen vervangen

Materialen die elektriciteit goed geleiden, zoals metalen, hebben ook de neiging warmte te geleiden. Een metalen lepel die bijvoorbeeld in een hete kop thee wordt achtergelaten, wordt heet, terwijl de keramische mok koel blijft. Dit komt omdat goede elektrische geleiders meestal ook goede warmtegeleiders zijn.

Onderzoekers van de Drexel Universiteit en de Université catholique de Louvain (UCLouvain) in België hebben echter ontdekt dat MXenen, een materiaalsoort die bekend staat om zijn uitstekende elektrische geleidbaarheid, eigenlijk een zeer lage thermische geleidbaarheid hebben.

Deze bevinding daagt het gebruikelijke verband tussen elektrische en warmtegeleiding uit. En de ontdekking zou kunnen leiden tot nieuwe ontwikkelingen op het gebied van bouwmaterialen, prestatiekleding en oplossingen voor energieopslag.

Recentelijk een artikel gepubliceerd in het journaal ACS Nanomeldt dat MXenes, een klasse van tweedimensionale materialen, oorspronkelijk ontdekt bij Drexel in 2011, de zeldzame combinatie van hoge elektrische geleidbaarheid en lage thermische geleidbaarheid demonstreert.

Hoewel MXene-materialen op een aantal manieren uitzonderlijk zijn gebleken onder tweedimensionale materialen – waaronder hun sterkte, het vermogen om selectief straling te blokkeren en vast te houden en chemicaliën te filteren – zouden hun prestaties als ultradunne thermische isolator hun meest veelbelovende eigenschap kunnen zijn voor toekomstige toepassingen. aan het onderzoeksteam.

“Thermische isolatie van deze omvang, die ook 100 tot 1.000 keer dunner is dan een mensenhaar, zou tot nu toe eenvoudigweg ondenkbaar zijn geweest”, zegt Yury Gogotsi, Ph.D., vooraanstaande universiteit en Bach-professor aan het Drexel’s College of Engineering, die was een leider in de thermisch isolerende MXene-ontwikkeling. “Dit zou de manier kunnen veranderen waarop we gebouwen en industriële apparatuur isoleren en thermische kleding maken, om maar een paar opwindende mogelijkheden te noemen.”

Gogotsi oorspronkelijk gepubliceerd onderzoek en gepatenteerde MXene-films die al in 2020 in staat zijn tot zeer lage warmte-emissie (infrarood). Maar de mechanismen achter de uitstekende thermische isolatie werden pas volledig begrepen toen zijn medewerkers uit België een scanning-thermische microscopietechniek gebruikten om de warmteoverdracht – of lokaal thermisch transport – te meten. —op het oppervlak van enkele vlokken titaniumcarbide MXene.

Een weerstandssonde, die zowel als warmtebron als temperatuursensor fungeerde, scande het oppervlak van MXene-vlokken en voerde temperatuurmetingen uit terwijl het contact maakte met het oppervlak. Dit leverde een kaart op van de warmtestroom in het MXene-monster en de thermische weerstand van het oppervlak.

Wat de kaart onthulde was behoorlijk opvallend: in plaats van snel op te warmen bij aanraking door de sonde, hield het materiaal zijn oppervlaktetemperatuur vrijwel constant gedurende de hele test.

“Verrassend genoeg was de thermische geleidbaarheid van het monster bijna een orde van grootte kleiner dan de waarde voorspeld door de wetten die de vastestoffysica beheersen”, zegt Pascal Gehring, Ph.D., de hoofdauteur van het onderzoek van UCLouvian.

“Tegelijkertijd is het warmteverlies van het titaniumcarbide MXene-monster maar liefst twee orden van grootte kleiner dan die van gewone metalen, zoals emissiearm goud, aluminium en staal. Wat betekent dat het een uitstekend materiaal zou kunnen zijn voor thermische isolatie en afscherming.”

Hoewel aanvullend onderzoek nodig is om de exacte mechanismen die hierbij betrokken zijn te verifiëren, suggereert het team dat de lage thermische activiteit van het materiaal waarschijnlijk te wijten is aan de structuur ervan. Meestal wordt warmte getransporteerd via twee primaire mechanismen: de beweging van elektronen en trillingen van de roosterstructuur van het materiaal, fononen genoemd.

In het MXene-materiaal vermindert een sterke koppeling tussen deze twee routes het totale warmtetransport aanzienlijk. Een soortgelijk mechanisme speelt waarschijnlijk een rol bij de lage emissie en efficiënte reflectie van infraroodstraling door het titaniumcarbide MXene, zoals gerapporteerd in eerder onderzoek door het Drexel-team.

Gogotsi merkt op dat het materiaal, vanwege zijn vermogen om infraroodstraling af te schermen zonder warmte over te dragen, een temperatuurdaling van meer dan 100°F kan veroorzaken. Dit betekent dat met slechts een spuitcoating van het materiaal een mogelijkheid wordt gesuggereerd gerelateerd onderzoek onlangs gepubliceerd in Natuurcommunicatie—gebouwen zouden in de winter geïsoleerd kunnen worden en in de zomer veel minder airconditioning nodig hebben.

“Dit zou een zeer opwindende ontwikkeling kunnen zijn voor de wereldwijde inspanningen op het gebied van energiebesparing”, zei Gogotsi. “Betere isolatie van gebouwen en transport kan resulteren in enorme energiebesparingen en het minimaliseren van onbedoelde verwarming van de omgeving.

“Onze voorlopige bevindingen geven al aan dat een dunne laag MXene-isolatie net zo goed zou kunnen presteren als een centimeter dik mineraalvilt met aluminium isolatie dat momenteel in de bouw wordt gebruikt. Maar we zijn ervan overtuigd dat met verdere ontwikkeling op MXene gebaseerde thermische isolatie alle bekende materialen kan overtreffen. .”

Andere toepassingen voor het materiaal kunnen onder meer het coaten van ovens en andere thermische apparatuur zijn – mogelijk ter vervanging van keramische isolatie en gepolijste roestvrijstalen behuizingen – het isoleren van ovens en zelfs het vormen van nieuwe beschermende afschermingen voor ruimtevaartvoertuigen, suggereren de onderzoekers.

De volgende stap voor dit onderzoek bestaat uit het testen van andere MXene-variëteiten en het onderzoeken van het isolerende vermogen van MXene-coatings op verschillende substraten.