Les chercheurs ont démontré leur capacité à concevoir des matériaux à la fois rigides et capables d’isoler de la chaleur. Cette combinaison de propriétés est extrêmement inhabituelle et prometteuse pour de nombreuses applications, telles que le développement de nouveaux revêtements d'isolation thermique pour les appareils électroniques. Les chercheurs ont travaillé avec un sous-ensemble de la classe de matériaux appelés pérovskites hybrides organiques-inorganiques bidimensionnelles. Ce sont des films minces constitués d’une alternance de couches organiques et inorganiques dans une structure cristalline hautement ordonnée, comme le montre cette illustration. Crédit : Jun Liu, Université d’État de Caroline du Nord
De nouveaux matériaux conçus pour être à la fois rigides et isolants thermiquement pourraient révolutionner les applications d’isolation thermique dans l’électronique.
Les scientifiques ont réussi à concevoir des matériaux à la fois rigides et efficaces pour isoler de la chaleur. Cette combinaison d'attributs extrêmement rare offre un potentiel important pour diverses applications, notamment la création de nouveaux revêtements d'isolation thermique pour les appareils électroniques.
« Les matériaux qui ont un module d'élasticité élevé ont également tendance à être hautement conducteurs thermiquement, et vice versa », explique Jun Liu, co-auteur d'un article sur les travaux et professeur agrégé de génie mécanique et aérospatial à l'Université de New York. Université d'État de Caroline du Nord. « En d’autres termes, si un matériau est rigide, il conduit bien la chaleur. Et si un matériau n’est pas rigide, il est généralement efficace pour isoler de la chaleur.
Propriétés et applications des matériaux
« Mais il y a des cas où vous voudriez des matériaux rigides, mais qui soient également de bons isolants », explique Liu. « Par exemple, vous souhaiterez peut-être créer des revêtements d’isolation thermique pour protéger les appareils électroniques des températures élevées. Historiquement, cela a été un défi.
« Nous avons désormais découvert une gamme de matériaux à la fois rigides et d'excellents isolants thermiques. De plus, nous pouvons concevoir les matériaux selon les besoins pour contrôler leur rigidité et leur conductivité thermique.
Avancées dans la composition des matériaux
Plus précisément, les chercheurs travaillaient avec un sous-ensemble de la classe de matériaux appelés pérovskites hybrides organiques-inorganiques bidimensionnelles (2D HOIP).
« Il s'agit de films minces constitués d'une alternance de couches organiques et inorganiques dans une structure cristalline hautement ordonnée », explique Wei You, co-auteur de cet article et professeur de chimie et de sciences physiques appliquées à l'Université de Caroline du Nord à Chapel Hill. « Et nous pouvons ajuster la composition de la couche inorganique ou organique. »
« Nous avons découvert que nous pouvons contrôler le module élastique et la conductivité thermique de certains HOIP 2D en remplaçant certaines des chaînes carbone-carbone des couches organiques par des anneaux benzéniques », explique Qing Tu, co-auteur correspondant de cet article et professeur adjoint. de science et d'ingénierie des matériaux à la Texas A&M University. « Fondamentalement, au sein de ce sous-ensemble spécifique de matériaux en couches, plus nous ajoutons d'anneaux de benzène, plus le matériau devient rigide et plus il est capable d'isoler de la chaleur. »
« Bien que la découverte de ces matériaux présente en elle-même un énorme potentiel pour une gamme d'applications, en tant que chercheurs, nous sommes particulièrement enthousiastes car nous avons identifié le mécanisme responsable de ces caractéristiques, à savoir le rôle critique que jouent les cycles benzéniques », explique Liu.
Lors d’expériences, les chercheurs ont découvert au moins trois matériaux HOIP 2D distincts qui devenaient moins conducteurs thermiquement à mesure qu’ils devenaient rigides.
Découvertes et implications
« Ce travail est passionnant car il suggère une nouvelle voie pour concevoir des matériaux dotés de combinaisons souhaitables de propriétés », explique Liu.
Les chercheurs ont également découvert un autre phénomène intéressant avec les matériaux HOIP 2D. Plus précisément, ils ont découvert qu’en introduisant la chiralité dans les couches organiques – c’est-à-dire en rendant asymétriques les chaînes de carbone dans ces couches – ils pouvaient effectivement maintenir la même rigidité et la même conductivité thermique même en apportant des modifications substantielles à la composition des couches organiques.
« Cela soulève des questions intéressantes quant à savoir si nous pourrions être en mesure d'optimiser d'autres caractéristiques de ces matériaux sans avoir à nous soucier de la manière dont ces changements pourraient influencer la rigidité ou la conductivité thermique du matériau », explique Liu.
L'article a été publié dans la revue ACS Nano. Ankit Negi, ancien doctorant. étudiant à NC State, est le premier auteur de l’article.
Les co-auteurs incluent Cong Yang, Andrew Comstock, Saqlain Raza et Ziqi Wang, Ph.D. étudiants de NC State; Subhrangsu Mukherjee, ancien doctorant. étudiant à NC State; Dali Sun, professeur agrégé de physique à NC State ; Harald Ade, professeur émérite de physique Goodnight Innovation à NC State ; Liang Yan de l'UNC ; et Yeonju Yu et Doyun Kim de Texas A&M.
Le travail a été réalisé avec le soutien de la National Science Foundation, dans le cadre des subventions 1943813, 2311573 et 2154791 ; l'Office of Naval Research, sous la subvention N000142012155 ; et le ministère de l'Énergie, sous la subvention DE-SC0020992.
