Ett samarbetande forskarteam, leds av University of Liverpool, har upptäckt ett nytt oorganiskt material med den lägsta värmeledningsförmåga som någonsin rapporterats. Denna upptäckt banar väg för utvecklingen av nya termoelektriska material som kommer att vara avgörande för ett hållbart samhälle.

Redovisat i tidskriften Vetenskap , denna upptäckt representerar ett genombrott i kontrollen av värmeflödet på atomär skala, uppnås genom materialdesign. Det ger grundläggande nya insikter om energihantering. Den nya förståelsen kommer att påskynda utvecklingen av nya material för att omvandla spillvärme till kraft och för effektiv användning av bränslen.

Forskargruppen, ledd av professor Matt Rosseinsky vid universitetets institution för kemi och materialinnovationsfabrik och Dr. Jon Alaria vid universitetets fysiska institution och Stephenson Institute for Renewable Energy, designade och syntetiserade det nya materialet så att det kombinerade två olika arrangemang av atomer som var och en visade sig bromsa hastigheten med vilken värme rör sig genom strukturen hos ett fast ämne.

De identifierade de mekanismer som är ansvariga för den minskade värmetransporten i vart och ett av dessa två arrangemang genom att mäta och modellera värmeledningsförmågan hos två olika strukturer, var och en innehöll ett av de erforderliga arrangemangen.

Att kombinera dessa mekanismer i ett enda material är svårt, eftersom forskarna måste styra exakt hur atomerna är ordnade i den. Intuitivt, forskare förväntar sig att få ett genomsnitt av de fysiska egenskaperna hos de två komponenterna. Genom att välja gynnsamma kemiska gränssnitt mellan var och en av dessa olika atomarrangemang, laget syntetiserade experimentellt ett material som kombinerar dem båda (representerade som de gula och blå plattorna i bilden).

Detta nya material, med två kombinerade arrangemang, har en mycket lägre värmeledningsförmåga än något av modermaterialen med bara ett arrangemang. Detta oväntade resultat visar den synergiska effekten av den kemiska kontrollen av atomära platser i strukturen, och är anledningen till att egenskaperna hos hela strukturen är överlägsna egenskaperna hos de två enskilda delarna.

Om vi ​​tar stålets värmeledningsförmåga som 1, då är en titan bar 0,1, vatten och en byggsten är 0,01, det nya materialet är 0,001 och luft är 0,0005.

Cirka 70 procent av all energi som genereras i världen går till spillo som värme. Material med låg värmeledningsförmåga är avgörande för att minska och utnyttja detta avfall. Utvecklingen av nya och mer effektiva termoelektriska material, som kan omvandla värme till el, anses vara en nyckelkälla för ren energi.

Professor Matt Rosseinsky sa:"Materialet vi har upptäckt har den lägsta värmeledningsförmågan av något oorganiskt fast ämne och är nästan lika dålig värmeledare som luften själv."

"Konsekvenserna av denna upptäckt är betydande, både för grundläggande vetenskaplig förståelse och för praktiska tillämpningar i termoelektriska enheter som skördar spillvärme och som termiska barriärbeläggningar för effektivare gasturbiner."

Dr Jon Alaria sa:"Det spännande resultatet av denna studie är att det är möjligt att förbättra egenskaperna hos ett material med hjälp av kompletterande fysikkoncept och lämpliga atomistiska gränssnitt. Utöver värmetransport, denna strategi skulle kunna tillämpas på andra viktiga grundläggande fysikaliska egenskaper som magnetism och supraledning, leder till lägre energiberäkning och effektivare transport av el."