Учёные создали сверхжёсткую теплоизоляционную плёнку, которая в пять раз лучше силикона

Исследователи Университета штата Северная Каролина разработали необычный материал, которому удалось совместить свойства, считавшиеся практически несовместимыми: чрезвычайно низкую теплопроводность и высокую механическую прочность. Тонкая плёнка почти не пропускает тепло, при этом она значительно жёстче обычного силикона.

Тепло почти не проходит

Новый материал относится к двумерным гибридным органо-неорганическим перовскитам. Учёные создали тонкую плёнку из йодида свинца с органическим компонентом на основе азобензола и этил-аммония.

При комнатной температуре её теплопроводность составила примерно 0,04 Вт/(м·К). Для сравнения, у силикона этот показатель находится около 0,2 Вт/(м·К).

Чем ниже теплопроводность материала, тем хуже через него передаётся тепловая энергия. Поэтому в данном сравнении новая плёнка проводит примерно в пять раз меньше тепла, чем силикон.

Жёсткость оказалась главным сюрпризом

Особенность разработки заключается не только в теплоизоляционных свойствах. Обычно материалы с очень низкой теплопроводностью являются мягкими, пористыми или содержат большое количество воздуха. Это касается, например, многих пен и аэрогелей.

Новая плёнка устроена иначе: она является плотным непористым материалом и одновременно обладает высокой механической жёсткостью.

По оценке исследователей, её жёсткость может быть в 700–10 000 раз выше, чем у силикона. Таким образом, учёным удалось получить сочетание высокой прочности и очень низкой теплопроводности, которое редко встречается у обычных материалов.

Секрет — в структуре материала

Исследователи использовали молекулярное проектирование слоистой структуры. В органическом слое часть углеродных цепочек заменили специально подобранными бензольными фрагментами.

Такая конструкция позволяет одновременно укрепить кристаллическую решётку и затруднить распространение тепловых колебаний — фононов. В результате механические нагрузки передаются через достаточно жёсткую структуру, тогда как перенос тепловой энергии оказывается сильно подавлен.

Где пригодится новая технология

Учёные считают, что материал может найти применение там, где обычная мягкая теплоизоляция не подходит из-за недостаточной прочности.

Среди потенциальных областей называются:

• электронные устройства;
• теплоизоляционные покрытия;
• кухонная техника;
• аэрокосмическая техника;
• различные компоненты, которым одновременно нужны прочность и защита от нагрева.

Дополнительным преимуществом является технология производства. По словам исследователей, её можно масштабировать и наносить материал на достаточно большие поверхности в виде тонкого покрытия.

Не просто ещё один теплоизолятор

Авторы работы подчёркивают, что важность разработки заключается именно в сочетании характеристик. Полученный материал не является самым малотеплопроводным веществом вообще: существуют, например, вакуумные теплоизоляционные панели с ещё более низкой теплопроводностью. Однако новая плёнка интересна тем, что представляет собой плотный и жёсткий материал, а не конструкцию, эффективность которой основана на вакууме или большом количестве пор.

Исследование опубликовано в журнале Science Advances под названием «Extremely Low Thermal Conductivity in Rigid Layered Hybrid Perovskites».

Вывод

Новая плёнка демонстрирует необычное сочетание свойств: она проводит примерно в пять раз меньше тепла, чем силикон, но при этом значительно превосходит его по жёсткости. Если исследователям удастся масштабировать производство и обеспечить стабильность материала в реальных условиях, такая технология может стать основой для новых тонких теплоизоляционных покрытий в электронике, промышленности и аэрокосмической технике.