Tak jak materiał może być lekki i wytrzymały, metal może niemal nie rozszerzać się pod wpływem temperatury, a przepływem ciepła próbujemy już sterować niczym prądem, tak teraz naukowcy poszli w podobnym kierunku. W ramach swojego dzieła zmusili wyjątkowo sztywną cienką warstwę do zachowywania się pod względem cieplnym tak, jakby wcale sztywna nie była.
Sztywny materiał, który nie chce przewodzić ciepła
Zespół specjalistów związany m.in. z North Carolina State University opracował cienką warstwę hybrydowego perowskitu organiczno-nieorganicznego o przewodności cieplnej wynoszącej około 0,04 W/(m·K) w temperaturze pokojowej. Dla porównania silikon wykorzystywany jako izolator cieplny może osiągać około 0,2 W/(m·K). Innymi słowy, badany materiał ma około pięciokrotnie niższą przewodność cieplną, ale to nie robi z niego unikatu.
Czytaj też: Nowa odmiana diamentu wprost z laboratorium. Nigdy przedtem nie udało się uzyskać takiego materiału
Naukowcy zmierzyli moduł sprężystości na poziomie 7,7 GPa, co oznacza wartość wyższą niż w wielu tworzywach sztucznych, piankach i aerożelach. W odniesieniu do różnych odmian silikonu autorzy mówią o sztywności od około 700 do nawet 10000 razy większej. Oczywiście moduł sprężystości jest innym wyznacznikiem od np. ogólnorozumianej “trwałości”. Mówi nam przede wszystkim o tym, jak bardzo materiał przeciwstawia się odkształceniu sprężystemu. Nie dowodzi automatycznie dziesięciotysięcznie większej odporności na pękanie, uderzenia czy rozciąganie.
Pozostaje więc pytanie – jak naukowcom udało się to osiągnąć?
Perowskit dostał zupełnie inne zadanie
Perowskity większości z nas kojarzą się dziś przede wszystkim z fotowoltaiką i sam wielokrotnie wracałem do nich przy m.in. problemach z trwałością perowskitowych ogniw słonecznych. Jednak określenie “perowskit” odnosi się do znacznie szerszej rodziny materiałów o określonej strukturze.
Tym razem naukowcy wykorzystali dwuwymiarowy hybrydowy perowskit organiczno-nieorganiczny. Jego struktura przypomina molekularną kanapkę, w której kolejne warstwy organiczne i nieorganiczne układają się w uporządkowaną sieć krystaliczną. Kluczem okazała się modyfikacja części organicznej i zastępowanie typowych łańcuchów węglowych odpowiednio zaprojektowanymi układami zawierającymi pierścienie benzenowe.
Czytaj też: MIT zrobiło komputer, który pamięta dzięki odkształcaniu materiału
Co ciekawe, już w 2024 roku badacze wykazali w podobnych materiałach nietypową zależność tego, że dodawanie pierścieni benzenowych mogło jednocześnie zwiększać moduł sprężystości i obniżać przewodność cieplną. Dokładniej jest to teraz jodek ołowiu z kationami azobenzeno-etyloamoniowymi. Teraz molekularne strojenie zostało doprowadzone znacznie dalej. Zamiast akceptować klasyczny kompromis “sztywne albo dobrze izolujące”, naukowcy zaczynają projektować zachowanie materiału na poziomie jego budowy molekularnej.
Potencjalne zastosowanie? Na pewno nie
Uzyskany materiał jest więc świetnym izolatorem, co w świecie, w którym elektronika walczy z temperaturą, wydaje się oczywistym zastosowaniem. Jednak czy na pewno za chwilę posmarujemy nim procesory i skończą się problemy z przegrzewaniem? Oczywiście nie. Izolowanie elementu, który sam generuje dużo ciepła, może przecież osiągnąć dokładnie odwrotny efekt i utrudnić jego chłodzenie.
Elektronika potrzebuje obu ekstremów. Czasami chcemy błyskawicznie wyprowadzić ciepło z układu i dlatego tak interesujące są materiały o ogromnej przewodności cieplnej, jak opisywany przeze mnie wcześniej azotek tantalu przekraczający 1100 W/(m·K). Innym razem trzeba cieplnie odseparować od siebie dwa obszary urządzenia, ochronić wrażliwy komponent przed gorącym sąsiadem albo utrzymać duży gradient temperatury.
Wynik jest świetny, ale tradycyjnie trudno mówić o zastosowaniu
Badacze podkreślają, że materiał można wytwarzać jako cienką warstwę metodą możliwą do skalowania i potencjalnie nakładać w formie powłoki na większe powierzchnie. Zastosowania? Izolacja termiczna, ale potencjalnie również systemy odzysku ciepła odpadowego, w których utrzymanie dużego gradientu temperatury jest szczególnie cenne. Oczywiście jednak przewodność cieplna jest właściwością materiału, ale rzeczywista izolacyjność elementu zależy również od grubości warstwy. Dochodzi do tego trwałość, zachowanie przy wysokich temperaturach, cykle termiczne, wilgoć, promieniowanie oraz fakt, że mówimy o związku zawierającym ołów.
Czytaj też: Te wiązania zmieniają strukturę i magnetyzm materiału. Na jaw wyszło zaskakujące zachowanie wanadu
Dopóki nie zobaczymy wieloletnich testów i rzeczywistych elementów wykonanych z tej powłoki, nadal jest to przede wszystkim fenomenalnie ciekawy materiał laboratoryjny. Tyle że właśnie z takich eksperymentów rodzi się przyszłość. Jeszcze niedawno pogodzenie bardzo wysokiej sztywności z przewodnością cieplną charakterystyczną raczej dla miękkich materiałów izolacyjnych wyglądało jak próba oszukania samej struktury materiału. Dzisiaj naukowcy pokazują, że wystarczy zejść odpowiednio głęboko i zacząć projektować nie kształt przedmiotu, lecz układ cząsteczek.
Źródła: Science Advances
