Жёсткий перовскитный материал показал рекордно низкую теплопроводность

Учёным Университета штата Северная Каролина (NC State) удалось сделать то, что считается в материаловедении крайне сложным: создать материал, который одновременно жёсткий и отлично изолирует тепло. Эти два свойства в природе практически несовместимы — чем жёстче кристаллическое вещество, тем лучше оно, как правило, проводит тепло. Новый материал ломает это правило. Работа опубликована в Science Advances.

Материал относится к классу гибридных перовскитов — соединений, набирающих известность в солнечной энергетике. Но в данном случае его исследуют совсем с другой стороны: не как фотоэлектрический, а как теплоизоляционный материал.

Что такое гибридный перовскит и почему он так плохо проводит тепло

Гибридные перовскиты — это слоистые кристаллические структуры, в которых органические и неорганические компоненты чередуются в правильном порядке. В данном случае исследователи синтезировали тонкую плёнку из азобензолэтиламмонийиодида свинца — соединения с длинным названием и необычными свойствами.

Исследователи изменили органические слои перовскита, заменив часть углеродных цепочек специально подобранной комбинацией бензольных колец. Так им удалось настроить сочетание жёсткости и низкой теплопроводности.

Цифры: насколько это хорошо

Теплопроводность нового материала при комнатной температуре составила около 0,04 Вт/(м·К). Это один из самых низких показателей среди всех плотных (непористых) твёрдых материалов. Для сравнения:

• воздух: ~0,025 Вт/(м·К) — лучший природный изолятор, но не твёрдое тело;
• силикон (используется в прихватках и термостойких покрытиях): 0,2 Вт/(м·К);
• полиуретановая пена (строительная теплоизоляция): 0,02–0,04 Вт/(м·К), но пористая;
• аэрогель (легчайший из известных твёрдых материалов): 0,015 Вт/(м·К), но хрупкий.

Новый материал в 5 раз лучше силикона как теплоизолятор — и при этом в 700–10 000 раз жёстче. Это необычное сочетание свойств среди плотных твёрдых материалов.

«Жёсткие материалы, хорошо изолирующие тепло, были бы крайне полезны в целом ряде применений — от кухонной утвари до электронных устройств и космических технологий. Но это настоящий вызов для науки: жёсткие материалы, как правило, хорошо проводят тепло, а хорошие изоляторы, как правило, мягкие», — прокомментировал Дали Сун, профессор физики NC State и соответствующий автор работы.

Как это производится

Принципиально важная практическая характеристика: материал можно наносить в виде тонкой плёнки методом печати в относительно крупном масштабе. Авторы считают этот способ перспективным для масштабирования и нанесения покрытий.

Потенциальные применения, которые рассматривают авторы:

• термозащитные покрытия в электронике, где нужно изолировать чувствительные компоненты от тепловыделяющих соседей;
• термобарьерные слои в авиакосмической отрасли;
• покрытия для бытовых приборов с высоким тепловыделением;
• термоэлектрические устройства, конвертирующие разность температур в электричество.

Читайте также: Физики создали программируемое тепло в материале.

До коммерческого применения необходимо подтвердить долгосрочную стабильность материала — перовскиты известны чувствительностью к влаге и кислороду. Но рекордные характеристики уже достигнуты при комнатной температуре в лабораторных условиях.