新研發的無機材料具有當前最低的熱導率

由利物浦大學領導的一個合作研究小組發現了一種新的無機材料,其熱導率是有史以來最低的。這一發現為開發新的熱電材料鋪平了道路,這對可持續發展的社會至關重要。《科學》雜誌報導,這一發現代表了通過材料設計在原子尺度上控制熱流方面的一個突破。它為能源管理提供了基本的新見解。新的認識將加速開發新的材料,用於將廢熱轉化為動力和有效利用燃料。

新研發的無機材料具有當前最低的熱導率

由該大學化學系和材料創新工廠的Matt Rosseinsky教授和該大學物理系和史蒂芬森可再生能源研究所的Jon Alaria博士領導的研究小組設計並合成了這種新材料,使其結合了兩種不同的原子排列方式,而這兩種原子都被發現可以減慢熱量在固體結構中的移動速度。

他們通過測量和模擬兩種不同結構的熱導率,確定了這兩種排列方式中每一種都能減少熱量傳輸的機制,其中每一種都包含所需的排列方式之一。

在一種材料中結合這些機制是很困難的,因為研究人員必須准確控制原子在其中的排列方式。直觀地說,科學家們期望得到兩個組成部分的物理特性的平均值。通過在這些不同的原子排列之間選擇有利的化學界面,研究小組通過實驗合成了一種將兩者結合起來的材料(在圖片中表示為黃色和藍色的板塊)。

這種具有兩種組合排列的新材料的導熱性比只有一種排列的母體材料低得多。這個意想不到的結果顯示了結構中原子位置的化學控制的協同效應,也是整個結構的性能優於兩個單獨部分的原因。

如果我們把鋼的熱導率看作1,那麼鈦棒是0.1,水和建築磚是0.01,新材料是0.001,空氣是0.0005。

世界上產生的所有能源中約有70%作為熱量被浪費掉了。低導熱材料對於減少和利用這種浪費至關重要。開發新的和更有效的熱電材料,可以將熱量轉化為電能,被認為是清潔能源的一個關鍵來源。

Matt Rosseinsky教授說。”我們所發現的材料在所有無機固體中具有最低的熱傳導性,而且幾乎和空氣本身一樣是一種糟糕的熱導體。這一發現的意義重大,既有利於基礎科學的理解,也有利於在收集廢熱的熱電設備中的實際應用,以及作為更高效的燃氣輪機的熱障塗層。”

Jon Alaria博士說。”這項研究令人振奮的發現是,利用互補的物理學概念和適當的原子學界面來增強材料的特性是可能的。除了熱傳輸之外,這種策略還可以應用於其他重要的基本物理特性,如磁性和超導性,從而實現更低的能量計算和更有效的電力傳輸”。

該研究團隊包括來自利物浦大學勒沃胡姆功能材料設計研究中心、倫敦大學學院、ISIS盧瑟福阿普爾頓實驗室和CRISMAT實驗室的研究人員。

來源:cnBeta