新研发的无机材料具有当前最低的热导率

2021年07月22日 20:14 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

由利物浦大学领导的一个合作研究小组发现了一种新的无机材料,其热导率是有史以来最低的。这一发现为开发新的热电材料铺平了道路,这对可持续发展的社会至关重要。《科学》杂志报道,这一发现代表了通过材料设计在原子尺度上控制热流方面的一个突破。它为能源管理提供了基本的新见解。新的认识将加速开发新的材料,用于将废热转化为动力和有效利用燃料。

由该大学化学系和材料创新工厂的Matt Rosseinsky教授和该大学物理系和斯蒂芬森可再生能源研究所的Jon Alaria博士领导的研究小组设计并合成了这种新材料,使其结合了两种不同的原子排列方式,而这两种原子都被发现可以减慢热量在固体结构中的移动速度。

他们通过测量和模拟两种不同结构的热导率,确定了这两种排列方式中每一种都能减少热量传输的机制,其中每一种都包含所需的排列方式之一。

在一种材料中结合这些机制是很困难的,因为研究人员必须准确控制原子在其中的排列方式。直观地说,科学家们期望得到两个组成部分的物理特性的平均值。通过在这些不同的原子排列之间选择有利的化学界面,研究小组通过实验合成了一种将两者结合起来的材料(在图片中表示为黄色和蓝色的板块)。

这种具有两种组合排列的新材料的导热性比只有一种排列的母体材料低得多。这个意想不到的结果显示了结构中原子位置的化学控制的协同效应,也是整个结构的性能优于两个单独部分的原因。

如果我们把钢的热导率看作1,那么钛棒是0.1,水和建筑砖是0.01,新材料是0.001,空气是0.0005。

世界上产生的所有能源中约有70%作为热量被浪费掉了。低导热材料对于减少和利用这种浪费至关重要。开发新的和更有效的热电材料,可以将热量转化为电能,被认为是清洁能源的一个关键来源。

Matt Rosseinsky教授说。"我们所发现的材料在所有无机固体中具有最低的热传导性,而且几乎和空气本身一样是一种糟糕的热导体。这一发现的意义重大,既有利于基础科学的理解,也有利于在收集废热的热电设备中的实际应用,以及作为更高效的燃气轮机的热障涂层。"

Jon Alaria博士说。"这项研究令人振奋的发现是,利用互补的物理学概念和适当的原子学界面来增强材料的特性是可能的。除了热传输之外,这种策略还可以应用于其他重要的基本物理特性,如磁性和超导性,从而实现更低的能量计算和更有效的电力传输"。

该研究团队包括来自利物浦大学勒沃胡姆功能材料设计研究中心、伦敦大学学院、ISIS卢瑟福阿普尔顿实验室和CRISMAT实验室的研究人员。

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