Perowskity w ostatnich latach zrobiły dużą karierę przede wszystkim za sprawą badań nad nowoczesnymi ogniwami słonecznymi. Ich właściwości sprawiają jednak, że mogą znaleźć zastosowanie także w zupełnie innych dziedzinach. Tym razem naukowcy skupili się na wykorzystaniu perowskitu do ograniczania przepływu ciepła.
Przedstawiciele North Carolina State University, University of North Carolina at Chapel Hill oraz Nanjing Normal University opracowali hybrydowy perowskit wykorzystujący związek znany jako azobenzen metyloamoniowy. Powstały materiał, określany jako jodek ołowiu z azobenzenem metyloamoniowym, ma warstwową strukturę, która utrudnia przepływ energii cieplnej.
Czytaj też: Alternatywny diament wprost z laboratorium. Nigdy przedtem nie udało się uzyskać takiego materiału
Kluczowe znaczenie ma jednak coś więcej niż sama budowa warstwowa. Wewnątrz materiału występują również dynamiczne zaburzenia struktury krystalicznej. Tworzące go cząsteczki mogą zmieniać swoje położenie, a pierścienie chemiczne mogą się obracać. W rezultacie energia cieplna ulega rozpraszaniu, zamiast swobodnie przemieszczać się przez materiał.
Efekt jest bardzo wyraźny. Warstwa nowego perowskitu o grubości zaledwie 150 nanometrów osiągnęła przewodność cieplną na poziomie 0,04 W/mK. To wartość zbliżona do parametrów charakterystycznych dla pianek i aerożeli, czyli materiałów znanych z bardzo dobrych właściwości izolacyjnych. W przeciwieństwie do nich nowy perowskit jest jednak materiałem sztywnym.
To właśnie ta cecha może mieć duże znaczenie w odniesieniu do praktycznych zastosowań. Aerożele są niezwykle lekkie i skutecznie ograniczają przepływ ciepła, ale jednocześnie mogą być kruche i trudne w zastosowaniu w niektórych konstrukcjach. Nowy materiał można natomiast wykorzystać w postaci cienkiej powłoki. Naukowcy sugerują, że można ją nakładać poprzez malowanie lub natryskiwanie.
Potencjalnych zastosowań jest sporo. Materiał mógłby posłużyć do izolowania budynków, zabezpieczania rurociągów, baterii, paneli słonecznych czy elementów elektroniki. Szczególnie interesujące mogą być zastosowania w urządzeniach, w których konieczne jest precyzyjne kontrolowanie przepływu energii cieplnej. Jednym z przykładów są baterie. Ich temperatura ma ogromne znaczenie dla bezpieczeństwa i trwałości. Cienka warstwa materiału izolacyjnego mogłaby pomóc ograniczać niepożądany przepływ ciepła bez konieczności stosowania grubych i ciężkich elementów izolacyjnych.
Czytaj też: MIT zrobiło komputer, który pamięta dzięki odkształcaniu materiału
Naukowcy widzą również potencjał w technologiach kosmicznych. Materiały o niskiej przewodności cieplnej są wykorzystywane do ochrony instrumentów i podzespołów statków kosmicznych przed ekstremalnymi zmianami temperatur. Możliwość zastosowania bardzo cienkiej, a jednocześnie sztywnej warstwy izolacyjnej może być w takich warunkach szczególnie cenna.
Nowy materiał nie jest jednak pozbawiony problemów. Jednym z najważniejszych jest obecność ołowiu. Pierwiastek ten budzi poważne obawy związane z toksycznością, dlatego przed zastosowaniem technologii na dużą skalę konieczne byłoby rozwiązanie kwestii bezpieczeństwa materiału.
Jedną z możliwości jest zastąpienie ołowiu cyną. Taka zmiana może niestety wpływać na właściwości chemiczne i optoelektroniczne perowskitu. W przypadku zastosowań izolacyjnych nie musi to być jednak tak dużym problemem jak w przypadku ogniw słonecznych. Co ciekawe, poza byciem typowym izolatorem, materiał ten mógłby pomóc w projektowaniu materiałów, które pozwalają kontrolować kierunek przepływu ciepła. W przyszłości podobne rozwiązania sprawdziłyby się w elektronice, gdzie zarządzanie temperaturą staje się coraz większym wyzwaniem.
Źródło: Science Advances
