Nieuw materiaal isoleert warmte vijf keer beter dan siliconen én is keihard

Een stalen pan wordt binnen seconden gloeiend heet, terwijl een zachte ovenwant je handen beschermt. Die vuistregel lijkt onwrikbaar: hoe stijver een materiaal, hoe beter het warmte doorgeeft. Onderzoekers van North Carolina State University hebben nu een dunne film gemaakt die dat principe doorbreekt. Het materiaal is tot 10.000 keer stijver dan siliconenrubber, maar geleidt tegelijk vijf keer minder warmte.

Een verboden combinatie

Het team, onder leiding van natuurkundige Dali Sun en werktuigbouwkundige Jun Liu, mat een thermische geleidbaarheid van ongeveer 0,04 watt per meter per kelvin bij kamertemperatuur. Siliconen, de stof achter oven­wanten en veel warmte-isolerende producten, zit op 0,2 watt per meter per kelvin. Het nieuwe materiaal isoleert dus vijf keer beter, terwijl het volgens de onderzoekers 700 tot 10.000 keer stugger aanvoelt dan siliconen. "We hebben een materiaal gemaakt dat heel stijf is én extreem goed isoleert tegen warmte. Beter dan wat je in de natuur zou aantreffen", zegt Sun.

Bouwen op moleculair niveau

De truc zit in de opbouw van het materiaal. De onderzoekers gebruikten tweedimensionale hybride organisch-anorganische perovskieten: kristallen die zijn opgebouwd uit afwisselende lagen van organische en anorganische stoffen. Normaal gesproken bevatten zulke lagen simpele koolstofketens. Het team verving die door speciaal ontworpen benzeenringen, wat de kristalstructuur stevig houdt maar warmtetrillingen in het materiaal vastzet in plaats van doorgeeft. Het resultaat is een niet-poreuze film op basis van azobenzeen-ethylammonium-loodjodide, een naam die vooral verwijst naar de exacte chemische samenstelling van de kristallagen. Het molecuul azobenzeen, normaal bekend om zijn gevoeligheid voor licht, fungeert hier als bouwsteen die de warmtegeleiding onderdrukt zonder de sterkte aan te tasten.

Van laboratorium naar praktijk

Volgens de onderzoekers is de vinding niet beperkt tot een labopstelling. Het productieproces is schaalbaar: de film kan als grote coating worden geprint of als beschermende laag op industriële oppervlakken worden aangebracht. Dat opent deuren voor toepassingen waar tot nu toe een lastige afweging gold tussen sterkte en isolatie. Denk aan kookgerei dat niet gloeiend heet wordt, elektronica die minder snel oververhit raakt, en ruimtevaartuigen die lichtere hitteschilden nodig hebben in plaats van zware keramische platen. Vooral in de ruimtevaart is gewicht een kostbare factor: elke kilo die niet aan bescherming hoeft te worden besteed, is winst voor brandstof of lading.

De onderzoekers benadrukken vooral het principe achter hun werk: door materialen op moleculair niveau te ontwerpen, kunnen eigenschappen worden gecombineerd die voorheen als onverenigbaar golden. Dat opent de deur naar een nieuwe generatie coatings en materialen die zowel mechanisch robuust als thermisch isolerend zijn.