Mantener la calma: los investigadores descubren un material inorgánico con la conductividad térmica más baja jamás reportada

El descubrimiento ofrece nuevos conocimientos fundamentales sobre la gestión de la energía.

Un equipo de investigación colaborativo, dirigido por la Universidad de Liverpool, ha descubierto un nuevo material inorgánico con la conductividad térmica más baja jamás reportada, allanando el camino para el desarrollo de nuevos materiales termoeléctricos que serán esenciales para una sociedad sostenible.

El descubrimiento representa un gran avance en el control del flujo de calor a escala atómica logrado por el diseño de materiales. Ofrece nuevos conocimientos fundamentales sobre la gestión de energía. La nueva comprensión acelerará el desarrollo de nuevos materiales para convertir el calor residual en energía y para utilizar de manera eficiente los combustibles.

El equipo de investigación, dirigido por el profesor Matt Rosseinsky del Departamento de Química e Innovación de Materiales de la Universidad y el Dr. Jon Alaria del Departamento de Física de la Universidad y el Instituto Stephenson de Energías Renovables, diseñó y sintetizó el nuevo material para combinar dos matrices. redujo la velocidad a la que el calor se mueve a través de la estructura de un sólido.

Identificaron los mecanismos responsables del transporte de calor reducido en cada uno de estos dos arreglos midiendo y modelando las conductividades térmicas de dos estructuras diferentes, cada una de las cuales contiene uno de los arreglos necesarios.

Combinar estos mecanismos en un solo material es difícil, porque los investigadores necesitan controlar exactamente cómo se organizan los átomos dentro de él. Intuitivamente, los científicos esperarían obtener un promedio de las propiedades físicas de los dos componentes. Al elegir interfaces químicas favorables entre cada uno de estos diferentes arreglos atómicos, el equipo sintetizó experimentalmente un material que combina los dos (representados como placas amarillas y azules en la imagen).

Este nuevo material, con dos matrices combinadas, tiene una conductividad térmica mucho menor que cualquiera de los materiales originales con una sola matriz. Este resultado inesperado muestra el efecto sinérgico del control químico de las ubicaciones atómicas en la estructura y es la razón por la que las propiedades de toda la estructura son superiores a las de las dos partes individuales.

Si toma la conductividad térmica del acero como 1, entonces una barra de titanio es 0.1, el agua y un ladrillo de construcción es 0.01, el nuevo material es 0.001 y el aire es 0.0005.

Aproximadamente el 70 por ciento de toda la energía generada en el mundo se desperdicia en forma de calor. Los materiales de baja conductividad térmica son fundamentales para reducir y aprovechar estos residuos. El desarrollo de nuevos materiales termoeléctricos más eficientes, que pueden convertir el calor en electricidad, se considera una fuente importante de energía limpia.

El profesor Matt Rosseinsky dijo: “El material que descubrimos tiene la conductividad térmica más baja de cualquier sólido inorgánico y es un conductor de calor casi tan pobre como el aire mismo.

«Las implicaciones de este descubrimiento son significativas, tanto para la comprensión científica fundamental como para las aplicaciones prácticas en dispositivos termoeléctricos que recogen el calor residual y como revestimientos de barrera térmica para turbinas de gas más eficientes».

El Dr. Jon Alaria dijo: “El hallazgo emocionante de este estudio es que es posible aumentar las propiedades de un material utilizando conceptos físicos complementarios y una interfaz atomística apropiada. Además del transporte de calor, esta estrategia se puede aplicar a otras propiedades físicas fundamentales importantes como el magnetismo y la superconductividad, lo que conduce a una computación de menor energía y a un transporte de electricidad más eficiente. »

El equipo de investigación incluye investigadores del Centro de Investigación Leverhulme para el Diseño de Materiales Funcionales de la Universidad de Liverpool, University College London, ISIS Rutherford Appleton Laboratory y Laboratoire CRISMAT, CRNS.

Este proyecto ha recibido financiación del Consejo de Investigación en Ingeniería y Ciencias Físicas (subvención EPRC EP / N004884), el Leverhulme Trust y la Royal Society.

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