Ученые осуществили синтез нанокомпозитного материала с удивительными анизотропными теплофизическими свойствами. Этот материал характеризуется высокой теплопроводностью вдоль внутренних слоев и демонстрирует свойства близкие к теплоизоляционным в перпендикулярном направлении. Согласно публикации в журнале Angewandte Chemie, отношение теплопроводностей в разных направлениях для этой структуры достигает рекордного значения – 38. Управление потоками тепла имеет принципиальное значение во множестве областей, от функционирования микроэлектроники до поддержания комфортного температурного режима в жилых помещениях. Для эффективной диссипации тепла используются материалы с высокой теплопроводностью, к примеру, металлы. Для предотвращения нежелательных изменений температуры применяются теплоизоляционные материалы, преимущественно многофазные структуры, такие как пенопласт или поролон, представляющие собой мелкопористую пену, заполненную воздухом.
Несмотря на то, что теплопроводящие свойства материалов обычно оцениваются на макроскопическом уровне, они в конечном итоге определяются структурой и химическим составом вещества на микроуровне.
Ученые уже обнаружили ряд экстремальных проявлений этой зависимости. В частности, одномерные полимерные нити демонстрируют удивительно высокую теплопроводность, в то время как неупорядоченные слоистые материалы, наоборот, проводят тепло очень плохо.
Химики из Германии и Греции синтезировали новое вещество, которое представляет собой одномерные полимерные цепи поливинилпирролидона, зажатые между слоями синтетического флюорогекторита (Hec) — глинистого неорганического минерала. Получившаяся структура похожа по строению на природный органико-неорганический композит — перламутр. При этом вещество прозрачно, а также оказалось электрическим изолятором.
Ключевой особенностью материала является его упорядоченность, которая позволяет создавать однородные пластины, между которыми находятся не переплетающиеся полимерные нити. Такая система подходит для детального исследования не только необычной теплопроводности, но и ее связи с механическими свойствами вещества на микроскопическом масштабе, которые измерять сложнее.
Получить столь однородный материал позволило редкое свойство Hec под названием осмотическое набухание, то есть отщепление слоев при определенных химических воздействиях. В случае Hec простое погружение вещества в деионизованную воду приводило к разделению на отдельные чешуйки минимально возможной толщины 10 ангстрем и средним диаметром в 20 микрон. Полученную взвесь смешивали с раствором полимера и высушивали, получая в результате материал из сотен сложенных в стопку слоев.
Измерения свойств вещества показало рекордное значение анизотропии теплопроводности: вдоль слоев тепло распространялось до 38 раз лучше, чем поперек них. При этом большее значение (5,7 ватт на метр на кельвин) примерно соответствует показателям термопаст, которые используют для отвода тепловой энергии от различных микроэлектронных устройств, в том числе компьютерных процессоров. Для электрических изоляторов схожего строения это также оказалось рекордом.
Ученые использовали ряд методов, таких как бриллюэновская спектроскопия, для определения механических свойств вещества и их зависимости от направления. Оказалось, что такие механические характеристики, как модули сдвига и Юнга, коррелируют с теплопроводностью на микроуровне — они оказались значительно анизотропными. Подобное также устанавливается впервые, по словам авторов работы.
Ранее ученые вывели единую теорию для описания теплопроводности кристаллов и стекол, увидели в эксперименте квантование теплопроводности в топологических материалах, а также создали изотропный теплопроводящий пластик.
Автор: Тимур Кешелава
Источник: https://nplus1.ru/
