- 新型薄膜材料具備極高剛性與極低熱導率，解決了剛性材料導熱良好的矛盾。
- 研究團隊利用二維混合有機-無機鈣鈦礦，成功設計出新型薄膜材料。
- 該材料在隔熱效果上比柔軟矽膠高出五倍，應用前景廣泛。
- 製造過程易於擴展，能在大面積上打印或作為工業塗層施加。
一種新設計的非多孔薄膜材料結合了極高的剛性與極低的熱導率，解決了長期以來剛性材料通常導熱良好的矛盾。這種薄膜由北卡羅來納州立大學的研究人員設計，其在室溫下的熱導率約為 0.04 W m⁻¹ K⁻¹，這使得它在隔熱方面比標準矽膠高出五倍，卻剛性高達 10,000 倍。北卡羅來納州立大學物理學教授 Dali Sun 表示：「剛性材料作為優良的熱絕緣體在多種應用中將具有重大的潛力，從炊具到電子設備再到太空旅行。」
他補充道：「但這是一個相當大的挑戰，因為一般來說，剛性材料導熱良好，而不剛性材料則是良好的熱絕緣體。我們創造了一種非常剛性且極為有效的熱絕緣材料，超過自然界中任何材料。」
突破傳統材料特性
材料科學長期以來將結構強度與熱導率聯繫在一起：剛性材料快速傳遞熱量，而柔性材料則能夠捕捉熱量。金屬鍋具加熱迅速，而柔軟的橡膠則能防止燙傷。如今，這項新成果突破了這一範式，開發出一種結合強大結構剛性與無與倫比的熱絕緣性的薄膜材料。這種新型非多孔材料在分子層面進行了工程設計，保持岩石般的堅硬，並且能以五倍的效率阻止熱量傳遞，相較於柔軟的矽膠更加有效。
為了這一發展，研究團隊利用了二維混合有機-無機鈣鈦礦，將有機和無機層交替排列成精確的晶體結構。通過將標準碳鏈替換為定製的苯環，成功地使材料捕捉熱振動，同時不犧牲其結構骨架。對新創建的偶氮苯乙基銨鉛碘薄膜進行的測試顯示，其在室溫下的熱導率約為 0.04 W m⁻¹ K⁻¹。作為參考，這種剛性材料的隔熱效果比柔軟的矽膠高五倍，後者的熱導率為 0.2 W m⁻¹ K⁻¹。
矽膠在日常用品如烤箱手套中設置了熱阻的基準，因此在不妥協的塗層中實現相同的隔熱能力是一次重要的進步。
廣泛應用潛力
北卡羅來納州立大學機械及航空工程副教授 Jun Liu 表示：「如果我們想將此材料與矽膠進行比較，我們製作的材料在剛性上比矽膠高出 700-10,000 倍，並且在隔熱效果上更佳五倍。」該材料的應用前景廣闊且迫切。現代微晶片因過熱而限制性能，太空船因攜帶沉重的陶瓷熱盾而消耗珍貴燃料，而下一代電子設備則因自身的熱限制而受困。這種可打印、可擴展的薄膜塗層，提供近乎理論上的隔熱極限，將有可能徹底改變這一切。
更好的是，它並不僅限於實驗室設置。根據合作作者 Liu 的說法，這一製造過程易於擴展，能夠在大面積上打印作為薄膜，或直接作為保護性工業塗層施加。
除了新材料本身，另一個優勢在於展示了分子工程可以定製層狀材料，結合以往不可能混合的特徵，例如堅如磐石的強度和極端的熱絕緣性。
新材料對電子設備及太空旅行的影響
這種新型薄膜材料的出現，標誌著材料科學的一次重大突破。傳統上，剛性材料與熱導率之間存在矛盾，而這項研究成功地將兩者結合，為電子設備的散熱問題提供了解決方案。此外，該材料的可擴展性使其在工業應用中具備潛力，尤其是在太空旅行中，能夠減輕設備的重量並提高性能，這對於未來的科技發展至關重要。