AI & computing › AI-ontworpen materialen
Nieuw materiaal isoleert warmte beter dan alles uit de natuur
Amerikaanse onderzoekers hebben een materiaal ontwikkeld dat extreem goed warmte isoleert én tegelijk heel stijf is, een combinatie die in de natuur niet voorkomt. Het dunne laagje benadert de theoretische grens van wat mogelijk is voor een dicht materiaal en is bovendien op grote schaal te produceren.
Onderzoekers van North Carolina State University hebben een materiaal gemaakt dat volgens hen beter tegen warmte isoleert dan enig ander bekend dicht materiaal op aarde. Het bijzondere: het materiaal is tegelijk extreem stijf. Normaal gesproken sluiten die twee eigenschappen elkaar uit. Stijve materialen geleiden juist goed warmte, terwijl goede isolatoren meestal zacht en flexibel zijn, zoals piepschuim of wol.
Het onderzoeksteam, onder leiding van natuurkundige Dali Sun en werktuigbouwkundige Jun Liu, publiceerde de resultaten op 18 september in het tijdschrift Science Advances. "We hebben een materiaal gemaakt dat heel stijf is en tegelijk extreem goed isoleert tegen warmte. Beter dan alles wat je in de natuur zou vinden", aldus Sun.
Waarom stijfheid en isolatie normaal niet samengaan
De sleutel tot de doorbraak ligt in een klasse materialen die bekendstaat als tweedimensionale hybride organisch-anorganische perovskieten. Dit zijn dunne halfgeleidermaterialen die zijn opgebouwd uit afwisselende lagen organische en anorganische stoffen, gerangschikt in een zeer geordende kristalstructuur. Door in de organische lagen bepaalde koolstofketens te vervangen door een combinatie van benzeenringen, kregen de onderzoekers grip op zowel de stijfheid als de warmtegeleiding van het materiaal.
Met deze vorm van moleculair ontwerp maakten ze specifiek een dunne film van azobenzeen-ethylammonium-loodjodide. Metingen bij kamertemperatuur lieten een warmtegeleiding zien van ongeveer 0,04 watt per meter per kelvin. Ter vergelijking: silicone, het materiaal in ovenwanten, geleidt warmte vijf keer zo goed. Tegelijk is het nieuwe materiaal 700 tot 10.000 keer stijver dan silicone.
Coatings op grote schaal
Behalve de opmerkelijke combinatie van eigenschappen is ook de productiemethode veelbelovend. Volgens Liu is het proces relatief eenvoudig op te schalen: het materiaal kan als coating worden aangebracht op grotere oppervlakken. Dat maakt toepassingen denkbaar in kookgerei, elektronica en ruimtevaart, waar warmte-isolatie en mechanische sterkte allebei belangrijk zijn.
De onderzoekers benadrukken vooral het bredere potentieel van hun aanpak. Door gericht te sleutelen aan de moleculaire opbouw van gelaagde hybride materialen, kunnen toekomstige ontwerpen op maat worden gemaakt voor specifieke combinaties van eigenschappen die voorheen onbereikbaar leken.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Een materiaal dat tegelijk stijf en extreem isolerend is, kan de manier veranderen waarop we apparaten, gebouwen en ruimtevaartuigen tegen hitte beschermen zonder in te leveren op sterkte. Omdat het proces schaalbaar is als coating, ligt praktische toepassing dichterbij dan bij veel andere materiaaldoorbraken.
- Perovskiet
- Een kristalstructuur die in dit geval wordt gebruikt om een dunne, halfgeleidende film te maken met bijzondere eigenschappen.
- Warmtegeleiding
- De mate waarin een materiaal warmte doorlaat; hoe lager, hoe beter het isoleert.
- Kristalstructuur
- De geordende, herhalende rangschikking van atomen in een vast materiaal.
- Moleculair ontwerp
- Het gericht aanpassen van de moleculaire opbouw van een stof om specifieke eigenschappen te creëren.
- Azobenzeen
- Een organische chemische verbinding die in dit materiaal is gebruikt om de laagstructuur te vormen.
- Dunne film
- Een materiaallaag van slechts enkele nanometers tot micrometers dik, vaak aangebracht als coating.
- Stijfheid
- De weerstand van een materiaal tegen vervorming onder kracht.
- Halfgeleider
- Een materiaal dat elektrische stroom beter geleidt dan een isolator, maar minder goed dan een metaal.
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
