Forskare har visat förmågan att konstruera material som är både styva och värmeisolerande. Denna kombination av egenskaper är extremt ovanlig och lovar för en rad applikationer, såsom utvecklingen av nya värmeisoleringsbeläggningar för elektroniska enheter.
"Material som har en hög elasticitetsmodul tenderar också att vara mycket termiskt ledande, och vice versa", säger Jun Liu, medförfattare till en artikel om arbetet och docent i mekanisk och rymdteknik vid North Carolina State University.
"Med andra ord, om ett material är styvt, gör det ett bra jobb med att leda värme. Och om ett material inte är styvt, då är det vanligtvis bra på att isolera mot värme.
"Men det finns tillfällen där du vill ha material som är styva, men som också är bra isolatorer," säger Liu. "Du kanske till exempel vill skapa värmeisolerande beläggningar för att skydda elektronik från höga temperaturer. Historiskt sett har det varit en utmaning.
"Vi har nu upptäckt en rad material som är både styva och utmärkta värmeisolatorer. Dessutom kan vi konstruera materialen efter behov för att kontrollera hur styva de är och hur värmeledande de är."
Specifikt arbetade forskarna med en delmängd av klassen av material som kallas tvådimensionella hybrida organiska-oorganiska perovskiter (2D HOIP). Artikeln, "Anomalous correlation between thermal conductivity and elastic modulus in two-dimensional hybrid metal halide perovskites," publiceras i tidskriften ACS Nano .
"Det här är tunna filmer som består av alternerande organiska och oorganiska skikt i en välordnad kristallin struktur", säger Wei You, medförfattare till denna artikel och professor i kemi och tillämpad fysik vid University of North Carolina i Chapel Hill. "Och vi kan justera sammansättningen av antingen det oorganiska eller organiska lagret."
"Vi fann att vi kan kontrollera elasticitetsmodulen och värmeledningsförmågan hos vissa 2D HOIPs genom att ersätta några av kol-kolkedjorna i de organiska skikten med bensenringar", säger Qing Tu, medförfattare till denna artikel och biträdande professor av materialvetenskap och teknik vid Texas A&M University. "I grund och botten - inom denna specifika undergrupp av skiktade material - ju fler bensenringar vi lägger till, desto styvare blir materialet och desto bättre kan det isolera mot värme."
"Medan att upptäcka dessa material i sig har en enorm potential för en rad tillämpningar, är vi som forskare särskilt glada eftersom vi har identifierat mekanismen som är ansvarig för dessa egenskaper - nämligen den avgörande roll som bensenringarna spelar", säger Liu.
I experiment hittade forskarna minst tre distinkta 2D HOIP-material som blev mindre värmeledande ju styvare de blev.
"Det här arbetet är spännande eftersom det föreslår en ny väg för tekniska material med önskvärda kombinationer av egenskaper," säger Liu.
Forskarna upptäckte också ett annat intressant fenomen med 2D HOIP-material. Specifikt fann de att genom att införa kiralitet i de organiska skikten – dvs göra kolkedjorna i dessa skikt asymmetriska – kunde de effektivt bibehålla samma styvhet och värmeledningsförmåga även när de gjorde väsentliga förändringar i sammansättningen av de organiska skikten.
"Detta väcker några intressanta frågor om huruvida vi skulle kunna optimera andra egenskaper hos dessa material utan att behöva oroa dig för hur dessa förändringar kan påverka materialets styvhet eller värmeledningsförmåga", säger Liu.
Mer information: Ankit Negi et al, Anomalous Correlation between Thermal Conductivity and Elastic Modulus in Two-Dimensional Hybrid Metal Halide Perovskites, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c12172
Journalinformation: ACS Nano
Tillhandahålls av North Carolina State University
