Новый материал почти не пропускает тепло, но при этом в 10 000 раз прочнее силикона, из которого делают прихватки.

Исследователи из Университета штата Северная Каролина разработали тонкую пленку, которая сочетает в себе исключительную жесткость и превосходную теплоизоляцию. Ее теплопроводность — одна из самых низких среди плотных непористых материалов, приближающаяся к теоретическому пределу эффективности теплозащиты таких материалов. Пленку также можно печатать в больших масштабах и использовать в качестве покрытия.

«Жесткие материалы, которые являются хорошими теплоизоляторами, могут найти широкое применение в самых разных областях — от кухонной утвари до электронных устройств и космических полетов», — говорит Дали Сан, профессор физики в Университете штата Северная Каролина и соавтор статьи в научном журнале, описывающей эту работу.

Разрыв связи между жесткостью и тепловым потоком

Создать материал, обладающий обоими свойствами, сложно, поскольку жесткость и теплопроводность обычно взаимосвязаны. Материалы, устойчивые к деформации, как правило, хорошо проводят тепло, в то время как эффективные изоляционные материалы, как правило, менее жесткие.

«Но это серьезная проблема, — говорит Сан. — Потому что, как правило, жесткие материалы хорошо проводят тепло, а материалы, которые не являются жесткими, хорошо изолируют от тепла. Мы создали материал, который очень жесткий и отлично изолирует от тепла. Лучше, чем любой материал, который можно найти в природе».

Более раннее исследование команды выявило необычную взаимосвязь между этими свойствами в определенном семействе материалов. В новом исследовании ученые перешли от наблюдения за этим явлением к целенаправленному созданию его экстремальной версии.

«Ранее мы продемонстрировали необычное поведение, связанное с сочетанием жесткости и теплопроводности в определенном классе материалов, — говорит Цзюнь Лю, доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической инженерии в Университете штата Северная Каролина и соавтор исследования. — В этой работе мы применили более продвинутые методы молекулярной инженерии, чтобы намеренно создать экстремальное сочетание этих свойств».

Восстановление материала изнутри

Исследователи работали с подгруппой двумерных гибридных органо-неорганических перовскитов. Эти полупроводниковые пленки состоят из чередующихся органических и неорганических слоев, расположенных в высокоупорядоченной кристаллической структуре.

Чтобы изменить свойства пленок, команда заменила некоторые углерод-углеродные цепочки в органических слоях на специально подобранную комбинацию бензольных колец. Эти молекулярные изменения позволили исследователям контролировать как жесткость материала, так и его способность передавать тепло.

Полученная пленка из азобензола, этиламмония и йодида свинца имела теплопроводность примерно 0,04 ватта на метр на кельвин при комнатной температуре. У силикона этот показатель составляет около 0,2 ватта на метр на кельвин. При прочих равных условиях это означает, что новая пленка проводит лишь пятую часть тепла.

«Итак, если сравнивать этот материал с силиконом, то наш материал в 700–10 000 раз прочнее силикона и в пять раз лучше изолирует от тепла», — говорит Лю.

Тонкие пленки с потенциалом для крупномасштабного производства

Помимо своих необычных свойств, пленка представляет собой метод производства, который, по словам исследователей, можно легко масштабировать. Если использовать ее в качестве покрытия, то сочетание жесткости и изоляционных свойств может быть полезным для различных типов оборудования.

«Метод, который мы использовали для производства этого материала, довольно легко масштабировать, — говорит Лю. — Его можно производить в довольно больших объемах, использовать в качестве покрытия и так далее».

«Мы в восторге от этого материала из-за его свойств», — говорит Лю. Но мы также воодушевлены тем, что эта работа демонстрирует потенциал молекулярной инженерии для тонкой настройки этих гибридных слоистых материалов для применения в областях, где требуются новые сочетания жесткости и теплоизоляции».