Los investigadores desarrollan no tejidos novedosos que son eléctricamente conductores pero térmicamente aislantes

4 de abril de 2023

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por la Universidad de Bayreuth

Investigadores de la Universidad de Bayreuth presentan nuevos no tejidos electrohilados en Science Advances que exhiben una combinación inusual de alta conductividad eléctrica y conductividad térmica extremadamente baja.

Los no tejidos representan un gran avance en la investigación de materiales: ha sido posible desacoplar la conductividad eléctrica y térmica en base a un concepto de material fácil de implementar. Los no tejidos están hechos de cerámica a base de carbono y silicio mediante un proceso de electrohilado y son atractivos para aplicaciones tecnológicas, por ejemplo, en tecnología energética y electrónica. Se pueden fabricar y procesar de forma rentable a escala industrial.

Normalmente, una alta conductividad eléctrica se asocia con una alta conductividad térmica, y una baja conductividad térmica va asociada a una baja conductividad eléctrica. Sin embargo, en muchas industrias de alta tecnología, existe un interés creciente en los materiales multifuncionales que combinan un buen transporte eléctrico con bajo transporte térmico.

Aunque se han desarrollado varias estrategias en los materiales, como materiales inorgánicos densos, polímeros conjugados y aleaciones, lograr una conductividad térmica extremadamente baja en combinación con una conductividad eléctrica alta sigue siendo un gran desafío para los materiales flexibles y plegables.

El equipo de investigación de la Universidad de Bayreuth ha descubierto un concepto innovador para abordar este desafío: los nuevos no tejidos electrohilados están hechos de cerámica a base de carbono y silicio y consisten en fibras con una nanoestructura tipo isla marina y con un diámetro entre 500 y 600 nanómetros.

Cada fibra contiene una matriz de carbono en la que se distribuyen homogéneamente fases cerámicas de tamaño nanométrico. Las partículas forman pequeñas "islas" en el "mar" de matriz de carbono y tienen efectos opuestos y complementarios. La matriz de carbono permite el transporte de electrones en las fibras y, por lo tanto, una alta conductividad eléctrica, mientras que la cerámica a base de silicio de tamaño nanométrico evita que la energía térmica se propague con la misma facilidad.

Esto se debe a que la interfaz entre la cerámica de tamaño nanométrico y la matriz de carbono es muy alta, mientras que los poros de la tela no tejida son muy pequeños. Como resultado, hay una fuerte dispersión de fonones, que son las unidades físicas más pequeñas de vibraciones provocadas por la energía térmica. No se produce un flujo de calor dirigido continuo.

La combinación inusual de conductividad eléctrica alta y térmica extremadamente baja ahora se destaca mediante una comparación con más de 3900 materiales de todo tipo, incluidos cerámicos, carbonos, materiales naturales, polímeros sintéticos, metales, vidrios y varios compuestos. El transporte de electrones y el aislamiento de energía térmica estaban más acoplados en el nuevo material de fibra compuesta electrohilada que en esos otros materiales.

"Nuestros no tejidos electrohilados combinan propiedades multifuncionales muy atractivas que generalmente se distribuyen entre diferentes clases de materiales: alta conductividad eléctrica, aislamiento térmico familiar de las espumas poliméricas y la no inflamabilidad y la resistencia al calor características de la cerámica. Las fibras se basan en un concepto de material simple. , y estaban hechos de polímeros comerciales", dice el primer autor, el Dr. Xiaojian Liao, investigador postdoctoral en química macromolecular en la Universidad de Bayreuth.

"Estamos convencidos de que nuestras nuevas fibras son adecuadas para varias áreas de aplicación: por ejemplo, en los campos de gestión de energía, electromovilidad alimentada por batería, textiles inteligentes o aeroespacial", dice el Prof. Dr. Seema Agarwal, profesor de química macromolecular en la Universidad de Bayreuth y uno de los autores correspondientes de este nuevo estudio. El equipo interdisciplinario de la Universidad de Bayreuth, con experiencia en cerámica, polímeros, electrohilado, química física y microscopía electrónica, hizo que este trabajo fuera un éxito.

Más información: Xiaojian Liao et al, Conductividad térmica extremadamente baja y alta conductividad eléctrica de materiales no tejidos electrohilados de cerámica de carbono sostenibles, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.ade6066

Información del diario:Avances de la ciencia

Proporcionado por la Universidad de Bayreuth