En la vida cotidiana, los materiales que conducen bien la electricidad, como los metales, también conducen el calor. Por ejemplo, una cuchara de metal que se deja en una taza de té caliente se calentará, mientras que una taza de cerámica permanecerá fría. Esto se debe a que los buenos conductores eléctricos suelen ser buenos conductores del calor. Sin embargo, investigadores de la Universidad de Drexel y la Universidad Católica de Lovaina (UCLouvain) en Bélgica han descubierto que los MXenes, un tipo de material conocido por su excelente conductividad eléctrica, en realidad tiene una conductividad térmica muy baja. Este hallazgo cuestiona el vínculo habitual entre la conducción eléctrica y la conducción de calor. Y el descubrimiento podría conducir a nuevos desarrollos en materiales de construcción, indumentaria deportiva y soluciones de almacenamiento de energía.
Publicado recientemente en la revista ACS NanoLa investigación muestra 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. Si bien los materiales MXene han demostrado ser inusuales entre los materiales bidimensionales en varios aspectos (incluyendo su resistencia, su capacidad para bloquear y atrapar selectivamente la radiación y filtrar productos químicos) como aislante térmico ultrafino, su rendimiento puede ser su característica más prometedora para futuras aplicaciones. , 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 simplemente inimaginable hasta ahora”, afirmó el doctor Yuri Gogotsy, uno de los líderes. del desarrollo del MXene aislante térmico. “Podría cambiar la forma en que aislamos edificios y equipos industriales y creamos ropa térmica, sólo por nombrar algunas posibilidades interesantes”.
Gogotsi publicó originalmente una investigación y patentó películas MXene con muy baja capacidad de emisión de calor (infrarrojos) a principios de la década de 2020. Pero el mecanismo detrás de su excelente aislamiento térmico no se entendió completamente hasta que sus colegas de Bélgica utilizaron técnicas de microscopía térmica de barrido para medir la transferencia de calor. – o transporte térmico local – en la superficie de escamas individuales de carburo de titanio MXene.
Una sonda de resistencia, que actúa como fuente de calor y sensor de temperatura, escaneó la superficie de las escamas de MXene y midió la temperatura cuando entró en contacto con la superficie. Mapeó el flujo de calor en la muestra MXene y su resistencia térmica superficial.
El mapa que surgió fue bastante sorprendente: en lugar de calentarse rápidamente cuando lo tocó la sonda, el material mantuvo una temperatura superficial casi constante durante toda la prueba.
“Sorprendentemente, la conductividad térmica de la muestra fue casi un orden de magnitud menor que la predicha por las leyes que gobiernan la física del estado sólido”, dijo Pascal Gehring, Ph.D., de la UCLouvian, autor principal del estudio. “Al mismo tiempo, la pérdida de calor de la muestra MXene de carburo de titanio es dos órdenes de magnitud menor que la de los metales comunes, como el oro, el aluminio y el acero de baja emisividad. Esto significa que es un material excelente para el aislamiento térmico. . Lata y escudo.”
Si bien se necesitan investigaciones adicionales para confirmar los mecanismos exactos implicados, el equipo sugiere que la baja actividad térmica del material se debe a su estructura. En general, el calor se transfiere mediante dos mecanismos básicos: el movimiento de electrones y las vibraciones de la estructura reticular del material, llamadas fonones.
En los materiales MXene, un fuerte acoplamiento entre estas dos rutas reduce significativamente el transporte de calor general. Un mecanismo similar es posible en la baja emisión y reflexión eficiente de la radiación infrarroja del carburo de titanio MXene, como se informó en investigaciones anteriores del equipo de Drexel.
Debido a su capacidad para proteger la radiación infrarroja sin transferencia de calor, el material puede producir caídas de temperatura de más de 100 grados Fahrenheit, señala Gogotsi. Esto significa que con una sola capa de material por pulverización, una posibilidad sugerida por una investigación relacionada publicada recientemente. Comunicaciones de la naturaleza Los edificios pueden aislarse en invierno y requieren poca aire acondicionado en verano.
“Esto podría ser un avance muy interesante para los esfuerzos de conservación de energía en todo el mundo”, afirmó Gogotsi. “Un aislamiento mejorado para edificios y transporte puede generar enormes ahorros de energía y reducir la ganancia de calor no deseada al medio ambiente. Nuestros resultados preliminares ya muestran que se puede lograr una capa delgada de aislamiento MXene. Además de un aislamiento de una pulgada de espesor, se puede lograr con el aislamiento de aluminio que se utiliza actualmente. Pero creemos que con un mayor desarrollo el aislamiento térmico basado en MXene puede 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 vehículos aeroespaciales, sugieren los investigadores, creando nuevos blindajes protectores.
El siguiente paso en esta investigación implica probar otros tipos de MXenes y probar la capacidad aislante de los recubrimientos de MXene en diferentes sustratos.
