Um grupo de pesquisadores de Universidade Drexel e a Université Catholique de Louvain descobriram que os MXenes, um tipo de materials conhecido pela sua excelente condutividade elétrica, têm uma condutividade térmica muito baixa. Esta descoberta questiona a relação convencional entre condução elétrica e de calor. A descoberta pode resultar em avanços em tecnologias de armazenamento de energia, roupas de alto desempenho e materiais de construção. O estudo foi publicado na revista ACS Nano.
Na vida diária, materiais como metais, que são bons condutores elétricos, também tendem a conduzir calor. Por exemplo, uma caneca de cerâmica permanece fria, enquanto uma colher de steel em uma xícara de chá quente esquenta. Isso ocorre porque bons condutores elétricos normalmente também conduzem bem o calor.
MXenes são uma classe de materiais bidimensionais descobertos pela primeira vez em Drexel em 2011. De acordo com a pesquisa, eles exibem uma combinação incomum de baixa condutividade térmica e alta condutividade elétrica.
A equipe de pesquisa acredita que o desempenho dos materiais MXene como isolante térmico ultrafino pode ser sua característica mais promissora para aplicações futuras, embora tenham demonstrado qualidades excepcionais entre materiais bidimensionais em diversas áreas, como resistência, capacidade de filtrar produtos químicos e a capacidade de bloquear e reter a radiação seletivamente.
Um isolamento térmico desta magnitude, que também é 100 a 1.000 vezes mais fino que um fio de cabelo humano, teria sido simplesmente inimaginável até agora. Isto poderia mudar a forma como isolamos edifícios e equipamentos industriais e fabricamos roupas térmicas, só para citar algumas possibilidades interessantes..
Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished College e Professor de Bach, Drexel College
Gogotsi foi líder no desenvolvimento do MXene com isolamento térmico.
A pesquisa sobre filmes MXene com emissão de calor extremamente baixa (infravermelho) foi publicada e patenteada pela primeira vez por Gogotsi já em 2020. No entanto, até que seus colegas belgas empregassem uma técnica de microscopia térmica de varredura para medir a transferência de calor, ou transporte térmico native, na superfície de flocos individuais de carboneto de titânio MXene, os mecanismos subjacentes ao seu excepcional isolamento térmico não foram completamente compreendidos.
Ao entrar em contato com os flocos MXene, uma sonda resistora que serviu como fonte de calor e sensor de temperatura examinou sua superfície, registrando a temperatura. Isso criou um mapa que mostra a resistência térmica da superfície da amostra MXene e o fluxo de calor para ela.
O mapa mostrou algo surpreendente: o materials manteve uma temperatura de superfície quase constante durante todo o teste, em vez de aquecer rapidamente quando a sonda o tocou.
Surpreendentemente, a condutividade térmica da amostra foi quase uma ordem de grandeza menor que o valor previsto pelas leis que regem a física do estado sólido. Ao mesmo tempo, a perda de calor da amostra MXene de carboneto de titânio é duas ordens de grandeza menor do que a dos metais comuns, como ouro, alumínio e aço de baixa emissão. O que significa que pode ser um excelente materials para isolamento térmico e blindagem.
Pascal Gehring, Ph.D., autor principal do estudo, Université catholique de Louvain
A equipa conclui que a baixa actividade térmica do materials é provavelmente causada pela sua estrutura, embora seja necessária mais investigação para confirmar os mecanismos precisos em jogo. O calor é normalmente transferido por dois processos principais: movimento de elétrons e fônons, que são vibrações da estrutura reticular do materials.
O forte acoplamento entre essas duas vias reduz consideravelmente o transporte complete de calor no materials MXene. A baixa emissão e a reflexão eficaz da radiação infravermelha do carboneto de titânio MXene, documentadas em estudos anteriores da equipe Drexel, provavelmente refletem um mecanismo semelhante.
De acordo com Gogotsi, o materials pode criar uma queda de temperatura de mais de 100°F porque pode bloquear a radiação infravermelha sem transferir calor. Isto implica que os edifícios poderiam ser isolados no inverno e exigir significativamente menos ar condicionado no verão com apenas um revestimento em spray do materials, como sugerido por uma pesquisa relacionada recentemente publicada em Comunicações da Natureza.
Este poderia ser um desenvolvimento muito estimulante para os esforços mundiais de conservação de energia. Um melhor isolamento para edifícios e transportes poderia resultar em enormes poupanças de energia e minimizar o aquecimento não intencional do ambiente. Nossas descobertas preliminares já indicam que uma fina camada de isolamento MXene poderia ter um desempenho tão bom quanto um feltro mineral de uma polegada de espessura com isolamento de alumínio usado atualmente na construção. Mas estamos confiantes de que, com um maior desenvolvimento, o isolamento térmico baseado em MXene pode exceder todos os materiais conhecidos.
Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished College e Professor de Bach, Drexel College
Segundo os pesquisadores, o materials também poderá ser utilizado para revestir fornos e outros equipamentos térmicos, podendo substituir carcaças de aço inoxidável polido e isolamentos cerâmicos, isolar fornos e até criar novas blindagens de proteção para veículos aeroespaciais.
A próxima etapa deste estudo envolverá o teste de variedades adicionais de MXene e a investigação da capacidade isolante dos revestimentos MXene em diversos substratos.
A pesquisa foi financiada pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA, pelo Fundo Nacional de Pesquisa Científica (Bélgica), pela Federação da Valônia-Bruxelas (Bélgica) e pela União Europeia.
Os coautores incluem Gogotsi, Tetiana Parker e Asaph Lee, da Drexel; Pascal Gehring, Jean Spiece e Yubin Huang da UCLouvain.
Referência do periódico:
Huang, Y., e outros. (2024) Violação da Lei Wiedemann-Franz e Condutividade Térmica Ultrabaixa do Ti3C2Tx MXene. ACS Nano. doi.org/10.1021/acsnano.4c08189.