כיצד הנדסו מדענים את הבלתי מתקבל על הדעת עם חומרים היברידיים חדשים

חומרים חדשים שתוכננו להיות קשיחים ומבודדים חום יכולים לחולל מהפכה ביישומי בידוד תרמי באלקטרוניקה.

מדענים הנדסו בהצלחה חומרים שהם גם קשיחים וגם יעילים בבידוד מפני חום. שילוב נדיר זה של תכונות מציע פוטנציאל משמעותי עבור יישומים שונים, כולל יצירת ציפוי בידוד תרמי חדש עבור מכשירים אלקטרוניים.

"חומרים בעלי מודול אלסטי גבוה נוטים להיות מוליכים תרמית מאוד, ולהיפך", אומר ג'ון ליו, מחבר משותף של מאמר על העבודה ופרופסור חבר להנדסת מכונות וחלל ב- אוניברסיטת צפון קרוליינה. "במילים אחרות, אם חומר נוקשה, הוא עושה עבודה טובה בהובלת חום. ואם חומר אינו נוקשה, אז הוא בדרך כלל טוב בבידוד מפני חום.

מאפייני חומר ויישומים

"אבל יש מקרים שבהם תרצה חומרים קשיחים, אבל הם גם מבודדים טובים", אומר ליו. "לדוגמה, אולי תרצה ליצור ציפוי בידוד תרמי כדי להגן על אלקטרוניקה מטמפרטורות גבוהות. מבחינה היסטורית, זה היה אתגר.

"גילינו כעת מגוון של חומרים שהם גם מבודדים תרמיים קשיחים וגם מעולים. יתרה מכך, אנחנו יכולים להנדס את החומרים לפי הצורך כדי לשלוט במידת קשיחותם ועד כמה הם מוליכים תרמית”.

התקדמות בהרכב החומרים

באופן ספציפי, החוקרים עבדו עם תת-קבוצה של מחלקה של חומרים הנקראים פרוסקיטים אורגניים-א-אורגניים היברידיים דו-ממדיים (2D HOIP).

"אלה סרטים דקים המורכבים משכבות אורגניות ואי-אורגניות מתחלפות במבנה גבישי מסודר מאוד", אומר Wei You, מחבר שותף של מאמר זה ופרופסור לכימיה ומדעים פיזיקליים יישומיים באוניברסיטת צפון קרוליינה בצ'פל היל. "ואנחנו יכולים לכוון את ההרכב של השכבה האנאורגנית או האורגנית."

"מצאנו שאנחנו יכולים לשלוט במודול האלסטי ובמוליכות התרמית של כמה HOIPs דו-ממדיים על ידי החלפת חלק משרשראות הפחמן-פחמן בשכבות האורגניות בטבעות בנזן", אומר צ'ינג טו, מחבר משותף של מאמר זה ועוזר פרופסור. של מדע והנדסת חומרים באוניברסיטת טקסס A&M. "בעיקרון – בתוך תת-קבוצה ספציפית זו של חומרים בשכבות – ככל שנוסיף יותר טבעות בנזן, החומר נהיה קשיח יותר, וכך הוא מסוגל לבודד טוב יותר מפני חום."

"למרות שגילוי החומרים הללו כשלעצמו טומן בחובו פוטנציאל אדיר למגוון יישומים, כחוקרים אנו נרגשים במיוחד מכיוון שזיהינו את המנגנון שאחראי למאפיינים הללו – כלומר התפקיד הקריטי שטבעות הבנזן ממלאות", אומר ליו.

בניסויים, החוקרים מצאו לפחות שלושה חומרי HOIP דו-ממדיים שונים שהפכו פחות מוליכים תרמית ככל שהם נעשו קשיחים יותר.

גילויים והשלכות

"עבודה זו מרגשת כי היא מציעה מסלול חדש לחומרים הנדסיים עם שילובים רצויים של תכונות", אומר ליו.

החוקרים גילו גם תופעה מעניינת נוספת עם חומרי HOIP דו מימדיים. באופן ספציפי, הם מצאו שעל ידי החדרת כיראליות לשכבות האורגניות – כלומר הפיכת שרשראות הפחמן בשכבות הללו לא-סימטריות – הן יכולות לשמור ביעילות על אותה קשיחות ומוליכות תרמית גם בעת ביצוע שינויים מהותיים בהרכב השכבות האורגניות.

"זה מעלה כמה שאלות מעניינות לגבי האם נוכל לייעל מאפיינים אחרים של חומרים אלה מבלי שנצטרך לדאוג כיצד השינויים הללו עשויים להשפיע על קשיחות החומר או המוליכות התרמית", אומר ליו.

המאמר פורסם בכתב העת ACS Nano. אנקית נגי, לשעבר Ph.D. סטודנט במדינת NC, ​​הוא המחבר הראשון של המאמר.

מחברים שותפים כוללים קונג יאנג, אנדרו קומסטוק, סקליין ראזה וזיקי וואנג, Ph.D. סטודנטים במדינת NC; Subhrangsu Mukherjee, לשעבר Ph.D. סטודנט במדינת NC; דאלי סאן, פרופסור חבר לפיזיקה במדינת NC; Harald Ade, פרופסור מכובד לחדשנות בלילה לפיזיקה במדינת NC; ליאנג יאן מ-UNC; ו-Yeonju Yu ו-Doyun Kim מטקסס A&M.

העבודה נעשתה בתמיכת הקרן הלאומית למדע, במסגרת מענקים 1943813, 2311573 ו-2154791; המשרד לחקר הצי, במסגרת מענק N000142012155; ומשרד האנרגיה, במסגרת מענק DE-SC0020992.