Thermische verf: MXene-spraycoating kan infraroodstraling gebruiken voor verwarming of koeling

Een internationaal team van onderzoekers, geleid door Drexel University, heeft ontdekt dat een dunne laag MXene – een soort tweedimensionaal nanomateriaal dat al meer dan een decennium in Drexel is ontdekt en bestudeerd – het vermogen van een materiaal om warmte vast te houden of af te voeren kan verbeteren. De ontdekking, die verband houdt met het vermogen van MXene om de doorgang van omgevingsinfraroodstraling te reguleren, zou kunnen leiden tot vooruitgang op het gebied van thermische kleding, verwarmingselementen en nieuwe materialen voor stralingsverwarming en -koeling.

De groep, bestaande uit onderzoekers op het gebied van materiaalkunde en opto-elektronica van Drexel en computationele wetenschappers van de Universiteit van Pennsylvania, heeft onlangs zijn ontdekking over de stralingsverwarmings- en koelmogelijkheden van MXene uiteengezet in een paper getiteld “Veelzijdigheid van infraroodeigenschappen van MXene” in Materialen Vandaag.

“Dit onderzoek onthult nog een ander facet van de veelzijdigheid van MXene-materialen”, zegt Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University en Bach-hoogleraar aan Drexel’s College of Engineering, die een leider was van het onderzoek.

“MXene-coatings die uitzonderlijke eigenschappen hebben om infraroodstraling te bevatten of uit te zenden, terwijl ze extreem dun blijven – 200-300 keer dunner dan een mensenhaar – lichtgewicht en flexibel, kunnen toepassingen vinden in zowel gelokaliseerd thermisch beheer als grootschalige stralingsverwarmings- en koelsystemen. Er zijn aanzienlijke voordelen met passieve infraroodverwarming en -koeling dan traditionele actieve, die elektrische stroom nodig hebben om te functioneren.”

MXenen zijn een familie van tweedimensionale nanomaterialen, oorspronkelijk ontdekt door Drexel-onderzoekers in 2011, die – vanwege hun samenstelling en tweedimensionale structuur – geleidelijk hebben bewezen uitzonderlijk te zijn in het geleiden van elektriciteit, het opslaan van elektrische energie, het filteren van chemische verbindingen en het blokkeren van elektromagnetische straling. , onder andere mogelijkheden. Door de jaren heen hebben materiaalwetenschappers MXenen met verschillende chemische samenstellingen geproduceerd en uitgebreid onderzocht, wat resulteerde in de ontdekking van talloze toepassingen.

In hun recente paper heeft het team het vermogen gemeten van 10 verschillende MXene-samenstellingen om de doorgang van infraroodstraling te helpen of te belemmeren – een maatstaf die “emissiviteit” wordt genoemd – wat correleert met hun vermogen om passief omgevingswarmte op te vangen of af te voeren.

“We wisten uit eerder onderzoek dat MXenes meer dan in staat zijn om radiogolven en microgolfstraling te reflecteren of te absorberen, dus kijken naar hun interactie met infraroodstraling, die een veel kortere golflengte heeft, was de volgende stap”, zegt Danzhen Zhang, een co -doctoraal onderzoeker in het laboratorium van Gogotsi en co-auteur van het artikel.

“Het voordeel van het kunnen regelen van de doorgang van infraroodstraling is dat we dit type straling kunnen gebruiken voor passieve verwarming – als we het kunnen bevatten – of passieve koeling – als we het kunnen verdrijven. De MXenen die we hebben getest, toonden aan dat ze dat kunnen doen beide, afhankelijk van hun elementaire samenstelling en het aantal atomaire lagen.”

In vergelijking met de passieve verkoelende materialen die tegenwoordig op de markt verkrijgbaar zijn, waardoor de thermische infraroodstraling van het lichaam – lichaamswarmte – kan ontsnappen door zijn lichtgewicht en poreuze textielsamenstelling, kan textiel met een MXene-coating het zelfs nog beter doen, volgens Tetiana Hryhorchuk, een doctoraal onderzoeker in het laboratorium van Gogotsi, en co-auteur van het onderzoek, omdat dit gecoate textiel het extra vermogen heeft om externe infraroodstraling te reflecteren, om opwarming door zonlicht te voorkomen, terwijl het ook de door het lichaam uitgezonden infraroodstraling doorlaat.

De onderzoekers ontdekten dat niobiumcarbide MXenen effectief warmte konden afvoeren, terwijl titaniumcarbide een uitzonderlijke hittebescherming vertoonde, waarbij de temperatuur slechts tot 43 graden Celsius steeg na vijf minuten te zijn verwarmd op een kookplaat van 110 graden.

“Hoge emissiviteit zoals in niobiumcarbide is ook mogelijk in diëlektrische materialen,” zei Gogotsi. “MXenes combineren dit vermogen echter met elektrische geleidbaarheid, wat betekent dat deze MXenes ook kunnen worden gebruikt als actieve elektrische verwarmingselementen met externe voeding.”

Een coating van titaniumcarbide MXene bleek materialen te versterken tegen penetratie en emissie van infraroodstraling. Tijdens het testen presteerden de met MXene gecoate materialen, zelfs met een dunne coating, beter in het afschermen van infraroodstraling dan gepolijste metalen, die momenteel de best presterende commerciële materialen zijn. Dit betekent dat MXenes kunnen worden geïntegreerd in lichtgewicht kleding die de drager warm houdt in extreme omgevingen.

Om het te testen, verfde het team een ​​katoenen T-shirt met een titaniumcarbide MXene-oplossing en gebruikte het een infrarood thermische camera om de temperatuur van een persoon die het droeg te controleren. De resultaten toonden aan dat het met MXene gecoate shirt de drager ongeveer 10-15 graden Celsius koeler hield – ongeveer op kamertemperatuur – dan een persoon die een normaal T-shirt draagt.

Deze resultaten suggereren dat MXene-gecoate kledingstukken effectief zijn in het handhaven van de lichaamstemperatuur, terwijl ze ook het voordeel bieden dat ze worden aangebracht via een relatief eenvoudiger dompelcoatingproces dan de meeste thermische kleding vereist.

“Commerciële thermische kleding gebruikt zeer dunne polymeervezels met een lage thermische geleidbaarheid, bijvoorbeeld fleece”, zegt Lingyi Bi, een doctoraal onderzoeker in het laboratorium van Gogotsi, met expertise in textiel. “Ze houden ons warm door de warmteoverdracht door de stof te minimaliseren, om dit effectief te doen moeten ze erg dik zijn. Maar MXene houdt ons in de eerste plaats warm door te voorkomen dat de lichaamswarmte als infraroodstraling ontsnapt. Daarom kan een MXene-coating die dunner is dan zijde zorgen voor effectieve opwarming. Dit is hetzelfde principe dat wordt gebruikt in Mylar thermische dekens die hardlopers krijgen na een race bij koud weer.’

Gogotsi suggereert dat de IR-blokkerende mogelijkheid ook kan worden gebruikt om mensen en apparatuur te camoufleren voor thermische detectieapparatuur, of om heimelijk informatie te verzenden via radiofrequente identificatiecodes die alleen zichtbaar zijn voor infraroodlezers.

Het team is van plan door te gaan met het bestuderen van de mechanismen die ten grondslag liggen aan het IR-blokkeer- en emissiegedrag van MXene, en het testen van MXenen met verschillende chemische samenstellingen om hun potentieel als materialen voor stralingsverwarming en -koeling te optimaliseren.