新型薄膜材料は極めて高い剛性と低い熱伝導率を持ち、多分野への応用が期待

新たに設計された非多孔質薄膜材料が、極めて高い剛性と極めて低い熱伝導率を組み合わせることで、長年剛性材料は熱伝導性も良好であるという矛盾を解消した。この薄膜はノースカロライナ州立大学の研究者によって設計されたもので、室温における熱伝導率は約 0.04 W m⁻¹ K⁻¹ であり、標準的なシリコーンゴムと比較して約 5 倍の断熱性能を発揮しながら、剛性は 10,000 倍に達する。ノースカロライナ州立大学の物理学教授 Dali Sun は「剛性材料が優れた熱絶縁体となれば、調理器具から電子機器、宇宙旅行に至るまで、多くの応用に大きな可能性をもたらす」と述べた。

同氏はさらに「しかし、これはかなり大きな課題です。一般的に、剛性材料は熱をよく伝え、剛性の低い材料は優れた熱絶縁体となるからです。私たちは、自然界に存在するどの材料よりも非常に剛性が高く、極めて効果的な熱絶縁材料を作り出した」と補足した。

従来の材料特性の突破

材料科学は長きにわたり、構造強度と熱伝導率を関連付けてきた。剛性材料は熱を急速に伝え、柔軟材料は熱を捉え止める。金属製の鍋は素早く加熱され、柔らかいゴムは火傷を防ぐ。今回の新たな成果は、この構図を覆し、強固な構造剛性と比類なき熱絶縁性を両立する薄膜材料を開発した。今回新たに設計された非多孔質材料は、分子レベルでの工学的設計によって岩石のように硬さを保ちつつ、柔軟なシリコーンゴムよりも 5 倍の効率で熱伝達を阻止する。

この実現のために研究チームは、二次元ハイブリッド有機-無機ペロブスカイトを利用し、有機層と無機層を精密な結晶構造で交互に積層した。標準的な炭素鎖をカスタマイズしたベンゼン環に置換することで、構造の骨格を損なうことなく熱振動を捕捉できる材料の開発に成功した。新規に作成されたアゾベンゼンエチルアンモニウムヨウ化鉛薄膜の測定結果は、室温における熱伝導率が約 0.04 W m⁻¹ K⁻¹ であることを示した。比較として、シリコーンゴムの熱伝導率は 0.2 W m⁻¹ K⁻¹ であり、この剛性材料は柔軟なシリコーンゴムと比べて 5 倍優れた断熱効果を持つ。

シリコーンゴムはオーブンミトンなどの日用品における断熱性の基準となっている。そのため、コーティング性を損なうことなく同等の断熱能力を実現する今回の成果は、大きな進展である。

幅広い応用の可能性

ノースカロライナ州立大学の機械航空工学准教授 Jun Liu は「シリコーンゴムと本材料を比較すると、作製した材料は剛性において 700 倍から 10,000 倍高く、断熱性においても 5 倍優れている」と述べた。本材料の応用範囲は広く、その必要性も高い。現代のマイクロチップは過熱によって性能が制限され、宇宙船は重量のあるセラミック製ヒートシールドを搭載することで貴重な燃料を消費し、次世代電子機器は自身の発生する熱によって限界を迎える。印刷可能かつ拡張性のあるこの薄膜コーティングは、理論上の断熱限界に近い性能を提供し、これらの状況を根本から変える可能性を秘めている。

さらに、優れた点はラボ環境だけに限定されないことである。共著者の Liu 氏によれば、この製造プロセスは拡張性に優れ、薄膜として大面積に印刷できるほか、保護的な産業用コーティングとして直接施工することも可能である。

新材料自体に加えて、もう一つの利点は、分子工学によって層状材料をカスタマイズし、岩のように強固な強度と極端な熱絶縁性のように、これまで両立不可能と思われていた特性を組み合わせられることを実証した点にある。

新材料が電子機器および宇宙旅行に与える影響

この新型薄膜材料の登場は、材料科学における大きなブレークスルーを象徴している。従来、剛性材料と熱伝導率の間にはトレードオフが存在していたが、本研究は両者の両立に成功し、電子機器の放熱問題に対する解決策を提供している。さらに、材料の拡張性の高さから産業応用にも期待が持たれ、特に宇宙旅行においては機器の軽量化と性能向上に寄与し、将来の科学技术発展にとって極めて重要である。