En la vida cotidiana, los materiales que conducen bien la electricidad, como los metales, también conducen el calor. Por ejemplo, una cuchara de metal colocada en una taza de té caliente se calentará, mientras que una taza de cerámica permanecerá fría. Porque los buenos conductores eléctricos son generalmente buenos conductores térmicos. Sin embargo, investigadores de la Universidad Drexel de Bélgica y la Universidad Católica de Lovaina (UCLouven) descubrieron que los MXenes, un tipo de material conocido por su excelente conductividad eléctrica, en realidad tiene una conductividad térmica muy baja. Este hallazgo desafía la asociación habitual entre la conducción eléctrica y térmica. Y el descubrimiento podría conducir a nuevos desarrollos en materiales de construcción, ropa deportiva y soluciones de ahorro de energía.

Publicado recientemente en la revista Dr. ACS NanoLa investigación informa que los MXenes, una clase de materiales bidimensionales descubiertos originalmente en Drexel en 2011, exhiben una rara combinación de alta conductividad eléctrica y baja conductividad térmica. Aunque los materiales MXene han demostrado ser excepcionales entre los materiales bidimensionales en varios aspectos (incluyendo su resistencia, su capacidad para bloquear y atrapar selectivamente la radiación y filtrar productos químicos), su rendimiento como aislante térmico ultrafino sigue siendo su característica más prometedora para el futuro. aplicaciones pueden. , según el equipo de investigación.

“Un aislamiento térmico de esta magnitud, que es entre 100 y 1.000 veces más fino que un cabello humano, era sencillamente inimaginable hasta ahora”, afirmó Yuriy Gogotsy, Ph.D., profesor de Bach de la Universidad Distinguida y de la Facultad de Ingeniería de Drexel, que fue uno de los líderes . Desarrollo del MXene termoaislante. “Podría cambiar la forma en que aislamos edificios y equipos industriales y creamos ropa térmica, sólo por nombrar algunas posibilidades interesantes”.

Gogotsi publicó una investigación y patentó películas MXene capaces de emitir muy bajas emisiones térmicas (infrarrojas) a principios de la década de 2020. Pero los mecanismos detrás de su notable aislamiento térmico no se entendieron completamente hasta que sus colaboradores de Bélgica utilizaron una técnica de microscopía térmica de barrido para medir la transferencia de calor (o transporte térmico local) en la superficie de una sola escama de carburo de titanio MXene.

Una sonda resistiva, que actúa como fuente de calor y sensor de temperatura, escanea la superficie del MXene flex y toma medidas de temperatura cuando entra en contacto con la superficie. Esto produjo un mapa del flujo de calor en la muestra MXene y un mapa de su resistencia térmica superficial.

Lo que reveló el mapa fue bastante interesante: en lugar de calentarse rápidamente cuando lo tocó la sonda, el material mantuvo la temperatura de su superficie casi constante durante toda la prueba.

“Sorprendentemente, la conductividad térmica de la muestra era aproximadamente un orden de magnitud menor que el valor predicho por las leyes que rigen la física del estado sólido”, dijo Pascal Gehring, PhD, autor principal del estudio de USiluvian. “Al mismo tiempo, la pérdida de calor de la muestra de carburo de titanio MXene es dos órdenes de magnitud menor que la de metales comunes como el oro, el aluminio y el acero de bajas emisiones. Esto significa que puede ser un material excelente para aislamiento térmico y blindaje.”

Aunque se necesitan investigaciones adicionales para verificar los mecanismos exactos implicados, el equipo sugiere que la baja actividad térmica del material probablemente se deba a su estructura. Generalmente, el calor se transporta a través de dos procesos principales: el movimiento de electrones y las vibraciones de la estructura reticular del material, llamadas fonones.

En el material MXene, un fuerte acoplamiento entre estas dos vías reduce significativamente el transporte de calor general. El carburo de titanio MXene tiene un potencial similar de baja emisión y reflexión eficiente de la radiación infrarroja, como se informó en investigaciones anteriores del equipo de Drexel.

Gogotsi señaló que debido a su capacidad para proteger la radiación infrarroja sin transferir calor, el material puede soportar temperaturas de más de 100 grados Fahrenheit. Esto significa que con solo una capa de material por aspersión, una posibilidad sugerida por una investigación relacionada publicada recientemente comunicación de la naturaleza — Los edificios pueden calentarse en invierno y requieren mucho menos aire acondicionado en verano.

“Esto podría ser un avance muy interesante para los esfuerzos globales de conservación de energía”, dijo Gogotsi. “Un mejor aislamiento para edificios y transporte podría ahorrar mucha energía y reducir el calentamiento no deseado del medio ambiente. Nuestros hallazgos preliminares ya indican que se puede utilizar una fina capa de aislamiento MXene junto con el aislamiento de aluminio que actualmente se utiliza como fieltro mineral de una pulgada de espesor. Pero confiamos en que, con un mayor desarrollo, el aislamiento térmico basado en MXene podrá superar a todos los materiales conocidos”.

Otras aplicaciones del material podrían incluir el revestimiento de hornos y otros equipos térmicos (posiblemente reemplazando el aislamiento cerámico y las carcasas de acero inoxidable pulido), el aislamiento de hornos e incluso la creación de nuevos escudos protectores para naves espaciales, sugieren los investigadores.

El siguiente paso en esta investigación será probar otras variaciones de MXenes y probar la capacidad aislante de los recubrimientos MXene en diferentes sustratos.

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