Pesquisadores desenvolvem novos não-tecidos que são eletricamente condutores, mas termicamente isolantes

4 de abril de 2023

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pela Universidade de Bayreuth

Pesquisadores da Universidade de Bayreuth apresentam novos não tecidos eletrofiados na Science Advances que exibem uma combinação incomum de alta condutividade elétrica e condutividade térmica extremamente baixa.

Os nãotecidos representam um avanço na pesquisa de materiais: foi possível desacoplar a condutividade elétrica e térmica com base em um conceito de material simples de implementar. Os nãotecidos são feitos de cerâmica à base de carbono e silício via processo de eletrofiação e são atrativos para aplicações tecnológicas, por exemplo, em tecnologia de energia e eletrônica. Eles podem ser fabricados e processados ​​de forma econômica em escala industrial.

Normalmente, alta condutividade elétrica está associada a alta condutividade térmica, e baixa condutividade térmica está associada a baixa condutividade elétrica. No entanto, em muitas indústrias de alta tecnologia, há um interesse crescente em materiais multifuncionais que combinam boa eletricidade com baixo transporte térmico.

Embora várias estratégias tenham sido desenvolvidas nos materiais, como materiais inorgânicos densos, polímeros conjugados e ligas, alcançar condutividade térmica extremamente baixa em combinação com alta condutividade elétrica ainda é um grande desafio para materiais flexíveis e dobráveis.

A equipe de pesquisa da Universidade de Bayreuth descobriu um conceito inovador para enfrentar esse desafio: os novos nãotecidos eletrofiados são feitos de cerâmica à base de carbono e silício e consistem em fibras com nanoestrutura do tipo ilha marinha e com diâmetro entre 500 e 600 nanômetros.

Cada fibra contém uma matriz de carbono na qual as fases cerâmicas de tamanho nano são distribuídas homogeneamente. As partículas formam minúsculas "ilhas" no "mar" da matriz de carbono e têm efeitos opostos e complementares. A matriz de carbono permite o transporte de elétrons nas fibras e, portanto, alta condutividade elétrica, enquanto a cerâmica à base de silício de tamanho nanométrico evita que a energia térmica se espalhe com a mesma facilidade.

Isso ocorre porque a interface entre a cerâmica nanométrica e a matriz de carbono é muito alta, enquanto os poros do nãotecido são muito pequenos. Como resultado, há uma forte dispersão de fônons, que são as menores unidades físicas de vibrações desencadeadas pela energia térmica. Não ocorre um fluxo de calor direcionado contínuo.

A combinação incomum de alta condutividade elétrica e extremamente baixa condutividade térmica agora é destacada por uma comparação com mais de 3.900 materiais de todos os tipos, incluindo cerâmica, carbono, materiais naturais, polímeros sintéticos, metais, vidros e vários compósitos. O transporte de elétrons e o isolamento de energia térmica foram mais acoplados no novo material de fibra compósita eletrofiada do que nos outros materiais.

"Nossos nãotecidos eletrofiados combinam propriedades multifuncionais altamente atraentes que geralmente são distribuídas entre diferentes classes de materiais: alta condutividade elétrica, isolamento térmico familiar de espumas de polímeros e não inflamabilidade e resistência ao calor características da cerâmica. As fibras são baseadas em um conceito de material simples , e eles foram feitos de polímeros comerciais", disse o primeiro autor, Dr. Xiaojian Liao, pesquisador de pós-doutorado em química macromolecular na Universidade de Bayreuth.

"Estamos convencidos de que nossas novas fibras são adequadas para diversas áreas de aplicação: por exemplo, nas áreas de gerenciamento de energia, eletromobilidade movida a bateria, têxteis inteligentes ou aeroespacial", diz o Prof. Dr. Seema Agarwal, professor de química macromolecular na da Universidade de Bayreuth e um dos autores correspondentes deste novo estudo. A equipe interdisciplinar da Universidade de Bayreuth, com experiência em cerâmica, polímeros, eletrofiação, físico-química e microscopia eletrônica, tornou este trabalho um sucesso.