Найден неорганический материал с самой низкой теплопроводностью

Все мы знаем, что мир отчаянно нуждается в переходе на возобновляемые источники энергии, но многие из нас забывают, что нам также необходимо сделать наши энергетические системы более эффективными.

В настоящее время около 70 процентов всей энергии, которую мы производим в мире, теряется в виде тепла - часто на самих электростанциях. Это серьезная проблема, которую можно хотя бы частично решить за счет улучшения термоэлектрических материалов, которые могут уменьшить потери тепла, а также улавливать потерянную тепловую энергию.

Теперь исследователи под руководством Ливерпульского университета в Великобритании сделали важный шаг к этой цели, открыв новый неорганический материал с самой низкой теплопроводностью, о которой когда-либо сообщалось.

Фактически, при комнатной температуре материал замедляет передачу тепла почти так же, как и воздух. Новый материал называется Bi4O4SeCl2 (мы знаем, что он не очень броский), и его создание является "прорывом в управлении тепловым потоком в атомном масштабе", говорится в пресс-релизе.

"Обнаруженный нами материал имеет самую низкую теплопроводность среди всех неорганических твердых тел и почти так же плохо проводит тепло, как и сам воздух", - говорит химик и руководитель группы Мэтт Россейнски из Ливерпульского университета.

"Значение этого открытия имеет большое значение как для фундаментального научного понимания, так и для практического применения в термоэлектрических устройствах, улавливающих отходящее тепло, и в качестве термобарьерных покрытий для более эффективных газовых турбин".

Если принять теплопроводность стали за 1, то теплопроводность воды и строительного кирпича будет равна 0,01. Воздух будет около 0,0005, а новый материал - всего 0,001.

Что особенно интересно, этот материал был создан с помощью хитроумного расположения слоев атомов, и команда говорит, что они могут использовать ту же технику для добавления дополнительных свойств.

В будущем это может означать создание материалов, которые не только невероятно устойчивы к нагреву, но также являются сверхпроводниками электричества - два свойства, которые будут чрезвычайно полезны для энергосистемы.

"Помимо переноса тепла, эта стратегия может быть применена к другим важным фундаментальным физическим свойствам, таким как магнетизм и сверхпроводимость, что приведет к снижению энергопотребления и более эффективной транспортировке электричества", - объясняет физик Джон Алария.

Неорганические материалы - это те, которые не содержат углерода, а этот был сделан из BiOCl и Bi2O2Se. Как следует из названия, это соединение висмута, кислорода, селена и хлора.

Чтобы создать новый проводящий материал, команда обнаружила два разных расположения атомов в этих материалах, что привело к плохой теплопроводности.

Затем они изучили механизмы, ответственные за замедление нагрева в каждой из этих схем, и нашли способ объединить их таким образом, чтобы они могли комбинировать эффекты замедления нагрева вместо простого усреднения разницы.

В результате Bi4O4SeCl2 является гораздо более слабым проводником тепла, чем любое из двух устройств по отдельности, достигая теплопроводности при комнатной температуре всего 0,1 Вт · К -1  м -1.

Важно отметить, что это исследование рассматривало только теплопроводность нового материала и не рассматривало другие эффекты, такие как электропроводность или магнетизм. Поэтому пока не ясно, можно ли использовать этот материал в реальных условиях.

Но теперь, когда мы знаем, как наслоить атомы таким сложным способом, это открывает большой потенциал для новых материалов, которые берут эти свойства теплопроводности и сочетают их с другими желательными характеристиками для улучшения термоэлектрических характеристик или открытия сверхпроводимости.

"Этот потенциал для оптимизации множества свойств иллюстрирует, как синергия между модульными блоками с совместимым соединением может обеспечить химическое генерирование и управление функцией", -  пишут исследователи.