- 新型薄膜材料具备极高刚性与极低热导率，解决了刚性材料导热良好的矛盾。
- 研究团队利用二维混合有机-无机钙钛矿，成功设计出新型薄膜材料。
- 该材料在隔热效果上比柔软硅胶高出五倍，应用前景广泛。
- 制造过程易于扩展，能在大面积上打印或作为工业涂层施加。
一种新设计的非多孔薄膜材料结合了极高的刚性与极低的热导率，解决了长期以来刚性材料通常导热良好的矛盾。这种薄膜由北卡罗来纳州立大学的研究人员设计，其在室温下的热导率约为 0.04 W m⁻¹ K⁻¹，这使得它在隔热方面比标准硅胶高出五倍，却刚性高达 10,000 倍。北卡罗来纳州立大学物理学教授 Dali Sun 表示：“刚性材料作为优良的热绝缘体在多种应用中将有重大的潜力，从炊具到电子设备再到太空旅行。”
他补充道：“但这是一个相当大的挑战，因为一般来说，刚性材料导热良好，而不刚性材料则是良好的热绝缘体。我们创造了一种非常刚性且极为有效的热绝缘材料，超过自然界中任何材料。”
突破传统材料特性
材料科学长期以来将结构强度与热导率联系在一起：刚性材料快速传递热量，而柔性材料则能够捕捉热量。金属锅具加热迅速，而柔软的橡胶则能防止烫伤。如今，这项新成果突破了这一范式，开发出一种结合强大结构刚性与无与伦比的热绝缘性的薄膜材料。这种新型非多孔材料在分子层面进行了工程设计，保持岩石般的坚硬，并且能以五倍的效率阻止热量传递，相较于柔软的硅胶更加有效。
为了这一发展，研究团队利用了二维混合有机-无机钙钛矿，将有机和无机层交替排列成精确的晶体结构。通过将标准碳链替换为定制的苯环，成功地使材料捕捉热振动，同时不牺牲其结构骨架。对新创建的偶氮苯乙基铵铅碘薄膜进行的测试显示，其在室温下的热导率约为 0.04 W m⁻¹ K⁻¹。作为参考，这种刚性材料的隔热效果比柔软的硅胶高五倍，后者的热导率为 0.2 W m⁻¹ K⁻¹。
硅胶在日常用品如烤箱手套中设置了热阻的基准，因此在不妥协的涂层中实现相同的隔热能力是一次重要的进步。
广泛应用潜力
北卡罗来纳州立大学机械及航空工程副教授 Jun Liu 表示：“如果我们想将此材料与硅胶进行比较，我们制作的材料在刚性上比硅胶高出 700-10,000 倍，并且在隔热效果上更佳五倍。”该材料的应用前景广阔且迫切。现代微芯片因过热而限制性能，太空船因携带沉重的陶瓷热盾而消耗珍贵燃料，而下一代电子设备则因自身的热限制而受困。这种可打印、可扩展的薄膜涂层，提供近乎理论上的隔热极限，将有可能彻底改变这一切。
更好的是，它并不仅限于实验室设置。根据合作作者 Liu 的说法，这一制造过程易于扩展，能够在大面积上打印作为薄膜，或直接作为保护性工业涂层施加。
除了新材料本身，另一个优势在于展示了分子工程可以定制层状材料，结合以往不可能混合的特征，例如坚如磐石的强度和极端的热绝缘性。
新材料对电子设备及太空旅行的影响
这种新型薄膜材料的出现，标志着材料科学的一次重大突破。传统上，刚性材料与热导率之间存在矛盾，而这项研究成功地将两者结合，为电子设备的散热问题提供了解决方案。此外，该材料的可扩展性使其在工业应用中具备潜力，尤其是在太空旅行中，能够减轻设备的重量并提高性能，这对于未来的科技发展至关重要。