Хорошая теплоизоляция играет важнейшую роль во множестве отраслей — от космических исследований и энергетики до электроники и производства посуды. Базовая идея проста: нужен материал, который замедляет движение тепла и не даёт ему распространяться из одной зоны в другую.
Концептуальное изображение, иллюстрирующее свойства нового теплоизоляционного материала. Источник изображения — newatlas.com
Почему прочность и теплоизоляция обычно несовместимы
Здесь есть любопытный нюанс. Жёсткие и прочные материалы, как правило, хорошо проводят тепло, а мягкие и менее долговечные — лучше его удерживают. Например, металлические листы легко пропускают тепло, тогда как пенопласт для утепления зданий отлично замедляет его переход сквозь стены. Обратная сторона пены — она далеко не так прочна, как металл.
Сложность в том, что в обратную сторону это почти не работает: совместить сразу оба свойства — жёсткость и хорошую теплоизоляцию — очень трудно.
Как учёные из Университета штата Северная Каролина решили задачу
Именно за эту задачу взялись исследователи из Университета штата Северная Каролина (NC State): а что, если всё-таки можно получить и то, и другое? С помощью методов тонкой молекулярной инженерии они создали новый материал, объединивший оба свойства.
Учёные работали с так называемым двумерным гибридным органо-неорганическим перовскитом. Название звучит крайне сложно, но суть проста: это материал из чередующихся органических и неорганических слоёв — своего рода микроскопический слоёный пирог.
Органический слой состоит из молекул на основе углерода. Исследователи изменили эти молекулы, заменив гибкие углеродные цепочки более жёсткими структурами — бензольными кольцами. Это позволило управлять поведением материала и сделать его жёстче, сохранив теплоизоляционные свойства. Неорганический слой содержит такие элементы, как иодид свинца.
Два слоя двумерного гибридного органо-неорганического перовскита. Источник изображения — newatlas.com
Результаты и возможные применения
Результаты оказались весьма впечатляющими. При комнатной температуре теплопроводность нового материала составила около 0,04 Вт/(м·К) — это значит, что тепло уходит сквозь него крайне медленно, сопоставимо со стекловатой. При этом жёсткость материала достигает 7,7 гигапаскаля. До алюминия или стали ей далеко, но это заметно жёстче обычных пенопластов и аэрогелей и близко к показателям пластика или дерева.
«Материал, который мы создали, в 700–10 000 раз жёстче силикона и в пять раз лучше изолирует тепло», — отмечает Цзюнь Лю, один из научных руководителей работы и доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники NC State. Для сравнения: силикон широко применяют для теплоизоляции — например, в кухонных прихватках.
По словам исследователей, технологию можно сравнительно легко масштабировать, а сам материал — выпускать в виде тонкой пены или покрытия. В перспективе это способно сделать его важным компонентом электроники, термобарьерных покрытий, энергетических систем и космических технологий.
