ฟิล์มบางชนิดใหม่มีความแข็งแรงสูงมากและค่าการนำความร้อนต่ำ คาดว่าสามารถนำไปประยุกต์ใช้ในหลายสาขา

วัสดุฟิล์มบางแบบไม่มีรูพรุนที่ออกแบบใหม่นี้ผสมผสานความแข็งแรงสูงมากเข้ากับค่าการนำความร้อนต่ำมาก ซึ่งแก้ไขข้อขัดแย้งที่มีมายาวนานว่าวัสดุที่แข็งแกร่งมักนำความร้อนได้ดี ฟิล์มบางนี้ออกแบบโดยทีมวิจัยจาก North Carolina State University โดยมีค่าการนำความร้อนที่อุณหภูมิห้องประมาณ 0.04 W m⁻¹ K⁻¹ ทำให้มีประสิทธิภาพในการเป็นฉนวนกันความร้อนสูงกว่าซิลิโคนมาตรฐานถึงห้าเท่า แต่มีความแข็งแกร่งสูงกว่าถึง 10,000 เท่า Dali Sun ศาสตราจารย์สาขาฟิสิกส์แห่ง North Carolina State University กล่าวว่า "วัสดุที่แข็งแกร่งในฐานะฉนวนกันความร้อนที่ดีเยี่ยมจะมีศักยภาพมหาศาลในการประยุกต์ใช้งานหลากหลาย ตั้งแต่เครื่องครัวไปจนถึงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และการเดินทางในอวกาศ"

เขาเสริมว่า "แต่นี่เป็นความท้าทายที่ค่อนข้างใหญ่ เพราะโดยทั่วไป วัสดุที่แข็งแกร่งมักนำความร้อนได้ดี ส่วนวัสดุที่ไม่แข็งแกร่งจะเป็นฉนวนกันความร้อนที่ดี เราได้สร้างวัสดุที่แข็งแกร่งมากและเป็นฉนวนกันความร้อนที่มีประสิทธิภาพสูงอย่างยิ่ง เกินกว่าวัสดุใดๆ ในธรรมชาติ"

ทลายกำแพงคุณสมบัติวัสดุแบบดั้งเดิม

วิทยาศาสตร์วัสดุมีมาอย่างยาวนานโดยเชื่อมโยงความแข็งแรงเชิงโครงสร้างกับค่าการนำความร้อนเข้าด้วยกัน: วัสดุที่แข็งจะถ่ายเทความร้อนได้รวดเร็ว ส่วนวัสดุที่อ่อนจะสามารถกักเก็บความร้อนได้ หม้อโลหะให้ความร้อนได้รวดเร็ว ขณะที่ยางอ่อนช่วยป้องกันการไหม้ ขณะนี้ ผลงานใหม่นี้ได้ทลายกรอบความคิดดังกล่าว โดยพัฒนาวัสดุฟิล์มบางที่ผสมผสานความแข็งแกร่งเชิงโครงสร้างอันทรงพลังเข้ากับฉนวนกันความร้อนที่เหนือชั้น วัสดุแบบไม่มีรูพรุนชนิดใหม่นี้ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมในระดับโมเลกุล คงความแข็งดั่งหิน และสามารถยับยั้งการถ่ายเทความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพถึงห้าเท่าเมื่อเปรียบเทียบกับซิลิโคนอ่อน

เพื่อให้บรรลุความก้าวหน้านี้ ทีมวิจัยได้ใช้เพอรอฟสไกต์แบบผสมอินทรีย์-อนินทรีย์สองมิติ โดยจัดเรียงชั้นอินทรีย์และอนินทรีย์สลับกันเป็นโครงสร้างผลึกที่แม่นยำ ด้วยการแทนที่โซ่คาร์บอนมาตรฐานด้วยวงเบนซีนที่ออกแบบเฉพาะ ทำให้สามารถกักเก็บการสั่นสะเทือนเชิงความร้อนได้สำเร็จ โดยไม่ลดทอนโครงสร้างหลักของวัสดุ การทดสอบฟิล์มบาง Azobenzeneethylammonium Lead Iodide ที่สร้างขึ้นใหม่แสดงให้เห็นว่ามีค่าการนำความร้อนที่อุณหภูมิห้องประมาณ 0.04 W m⁻¹ K⁻¹ เพื่อเปรียบเทียบ วัสดุแข็งนี้มีประสิทธิภาพในการเป็นฉนวนกันความร้อนสูงกว่าซิลิโคนอ่อนถึงห้าเท่า ซึ่งซิลิโคนอ่อนมีค่าการนำความร้อน 0.2 W m⁻¹ K⁻¹

ซิลิโคนได้กำหนดมาตรฐานการต้านทานความร้อนในผลิตภัณฑ์ในชีวิตประจำวัน เช่น ถุงมือจับเตาอบ ดังนั้นการบรรลุความสามารถในการเป็นฉนวนกันความร้อนในระดับเดียวกันในชั้นเคลือบที่ไม่มีข้อประนีประนอมจึงนับเป็นความก้าวหน้าที่สำคัญ

ศักยภาพในการประยุกต์ใช้ที่กว้างขวาง

Jun Liu รองศาสตราจารย์สาขาวิศวกรรมเครื่องกลและการบินแห่ง North Carolina State University กล่าวว่า "หากเราต้องการเปรียบเทียบวัสดุนี้กับซิลิโคน วัสดุที่เราผลิตขึ้นมีความแข็งแกร่งสูงกว่าซิลิโคน 700-10,000 เท่า และยังมีประสิทธิภาพในการเป็นฉนวนกันความร้อนดีกว่าถึงห้าเท่า" วัสดุนี้มีแนวโน้มการประยุกต์ใช้งานที่กว้างขวางและเป็นที่ต้องการอย่างเร่งด่วน ชิปไมโครสมัยใหม่ถูกจำกัดประสิทธิภาพจากความร้อนที่สูงเกินไป ยานอวกาศสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงอันมีค่าเนื่องจากต้องบรรทุกฉนวนกันความร้อนเซรามิกที่มีน้ำหนักมาก ส่วนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์รุ่นถัดไปติดอยู่กับข้อจำกัดด้านความร้อนของตัวมันเอง ชั้นเคลือบฟิล์มบางที่พิมพ์ได้และขยายขนาดได้นี้ ซึ่งให้ประสิทธิภาพการเป็นฉนวนใกล้เคียงขีดจำกัดทางทฤษฎี มีศักยภาพที่จะเปลี่ยนแปลงสิ่งเหล่านี้ทั้งหมด

ที่ดีไปกว่านั้น มันไม่ได้จำกัดอยู่เพียงในห้องปฏิบัติการ ตามคำกล่าวของ Liu ผู้เป็นผู้ร่วมเขียนงานวิจัย กระบวนการผลิตนี้สามารถขยายขนาดได้ง่าย สามารถพิมพ์เป็นฟิล์มบางบนพื้นที่ขนาดใหญ่ หรือเคลือบโดยตรงในรูปแบบชั้นเคลือบป้องกันในงานอุตสาหกรรม

นอกเหนือจากตัววัสดุใหม่แล้ว ข้อได้เปรียบอีกประการคือการแสดงให้เห็นว่าวิศวกรรมโมเลกุลสามารถปรับแต่งวัสดุแบบชั้น เพื่อผสมผสานคุณสมบัติที่ในอดีตไม่สามารถรวมเข้าด้วยกันได้ เช่น ความแข็งแกร่งดั่งหินและฉนวนกันความร้อนสุดขั้ว

ผลกระทบของวัสดุใหม่ต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และการเดินทางในอวกาศ

การปรากฏขึ้นของวัสดุฟิล์มบางชนิดใหม่นี้ถือเป็นก้าวกระโดดครั้งสำคัญของวิทยาศาสตร์วัสดุ โดยดั้งเดิม ความแข็งแกร่งของวัสดุกับค่าการนำความร้อนมีความขัดแย้งกัน แต่งานวิจัยนี้ประสบความสำเร็จในการผสมผสานทั้งสองเข้าด้วยกัน ซึ่งเป็นทางออกสำหรับปัญหาการระบายความร้อนของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ นอกจากนี้ ความสามารถในการขยายขนาดของวัสดุนี้ทำให้มีศักยภาพในการประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการเดินทางในอวกาศ ซึ่งสามารถลดน้ำหนักของอุปกรณ์และเพิ่มประสิทธิภาพ อันเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งต่อการพัฒนาเทคโนโลยีในอนาคต