فهرست مطالب
محققان دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی ماده عایق جدیدی ساخته‌اند که با حفظ مقاومت بالا در برابر انتقال حرارت، سختی مکانیکی آن ۱۰ هزار برابر بیشتر از سیلیکون است.
به گزارش سرویس علمی تکناک، این ماده با استفاده از مهندسی مولکولی توسعه یافته است و می‌تواند کاربردهای گسترده‌ای در صنایع فضایی، تجهیزات الکترونیکی و سامانه‌های انرژی داشته باشد.
عایق‌های حرارتی در صنایع مختلف، از اکتشافات فضایی و تجهیزات الکترونیکی گرفته تا سامانه‌های انرژی و لوازم آشپزخانه، نقش مهمی ایفا می‌کنند. وظیفه اصلی این مواد کاهش سرعت انتقال گرما و جلوگیری از انتشار حرارت میان بخش‌های مختلف است.
با وجود این، تولید عایقی که هم استحکام بالایی داشته باشد و هم انتقال حرارت را محدود کند، همواره یکی از چالش‌های مهندسی مواد بوده است. مواد سخت و مستحکم معمولا گرما را به‌خوبی منتقل می‌کنند، در حالی که مواد نرم و انعطاف‌پذیر اغلب عایق‌های حرارتی بهتری هستند.
برای مثال، ورق‌های فلزی گرما را به‌راحتی منتقل می‌کنند، اما فوم‌های ساختمانی مانع انتقال سریع حرارت از دیوارها می‌شوند. البته این فوم‌ها در مقایسه با فلزات دوام و استحکام کمتری دارند.
پژوهشگران دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی با هدف برطرف کردن این محدودیت، ماده‌ای توسعه داده‌اند که دو ویژگی سختی مکانیکی و عایق‌کاری حرارتی را هم‌زمان ارائه می‌دهد.
بیشتر بخوانید: این ماده حیاتی صنعت هوش مصنوعی را تهدید می‌کند!
ساختار مولکولی جدید چگونه سختی عایق را افزایش می‌دهد؟
دانشمندان برای ساخت این عایق از ماده‌ای به نام پروسکایت هیبریدی آلی-معدنی دوبعدی استفاده کردند. این ماده ساختاری لایه‌ای دارد و از قرار گرفتن متناوب لایه‌های آلی و معدنی روی یکدیگر تشکیل می‌شود. ساختار آن را می‌توان به کیکی چندلایه در مقیاس میکروسکوپی تشبیه کرد.
لایه آلی از مولکول‌های مبتنی بر کربن تشکیل شده است و لایه معدنی نیز ترکیباتی مانند یدید سرب را در خود جای می‌دهد.
محققان برای افزایش سختی ماده، ساختار مولکولی لایه آلی را تغییر دادند. آنها زنجیره‌های انعطاف‌پذیر کربنی را با ساختارهای محکم‌تری به نام حلقه‌های بنزن جایگزین کردند.
این تغییر باعث شد که پژوهشگران بتوانند رفتار مکانیکی ماده را کنترل کنند و سختی آن را بدون از دست رفتن ویژگی‌های عایق حرارتی افزایش دهند.
آزمایش‌های انجام‌شده نشان داد که رسانایی حرارتی ماده جدید در دمای اتاق حدود ۰٫۰۴ وات بر متر کلوین است. این مقدار نشان‌دهنده انتقال بسیار کند گرما از ماده است و عملکردی مشابه عایق‌های فایبرگلاس را نشان می‌دهد.
در همین حال، سختی مکانیکی این عایق به ۷٫۷ گیگاپاسکال می‌رسد. اگرچه این مقدار از سختی فلزاتی مانند آلومینیوم و فولاد بسیار کمتر است، اما در مقایسه با فوم‌ها و آئروژل‌های معمولی افزایش قابل توجهی دارد.
سختی این ماده از نظر میزان مقاومت در برابر تغییر شکل، به موادی مانند پلاستیک و چوب نزدیک است. این ویژگی می‌تواند محدودیت استفاده از عایق‌های نرم در کاربردهای نیازمند استحکام بیشتر را کاهش دهد.
بیشتر بخوانید: این پلاستیک به بخار تبدیل می‌شود و دوباره به حالت جامد برمی‌گردد
کاربردهای ماده عایق جدید در صنایع پیشرفته
جون لیو، یکی از نویسندگان مسئول پژوهش و دانشیار مهندسی مکانیک و هوافضا در دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی درباره عملکرد این ماده گفت: «ماده‌ای که ساخته‌ایم، بین ۷۰۰ تا ۱۰ هزار برابر سخت‌تر از سیلیکون است و در عین حال، پنج برابر بهتر از آن در برابر انتقال حرارت عایق‌کاری می‌کند.»
سیلیکون یکی از مواد پرکاربرد در عایق‌کاری حرارتی است و در تولید محصولاتی مانند دستکش‌های مقاوم در برابر حرارت فر استفاده می‌شود.
محققان معتقد هستند روش تولید این ماده قابلیت گسترش به مقیاس صنعتی را دارد. همچنین آنها اعلام کرده‌اند که می‌توان این عایق را به شکل فوم نازک یا پوشش محافظ تولید کرد.
این قابلیت می‌تواند استفاده از ماده جدید را در تجهیزات الکترونیکی، پوشش‌های محافظ حرارتی، سامانه‌های انرژی و فناوری‌های فضایی امکان‌پذیر کند.
پژوهشگران امیدوار هستند با توسعه فرایند تولید، این ماده در آینده نزدیک به یکی از اجزای مهم تجهیزاتی تبدیل شود که به استحکام مکانیکی مناسب و جلوگیری مؤثر از انتقال گرما نیاز دارند.
بیشتر بخوانید: رکورد جدید مقاومت حرارتی آلیاژ چینی تا ۲۴۰۰ درجه سانتی‌گراد
