Un team di ricerca collaborativo, guidato dall'Università di Liverpool, ha scoperto un nuovo materiale inorganico con la conduttività termica più bassa mai riportata. Questa scoperta apre la strada allo sviluppo di nuovi materiali termoelettrici che saranno fondamentali per una società sostenibile.

Segnalato sul giornale Scienza , questa scoperta rappresenta una svolta nel controllo del flusso di calore su scala atomica, raggiunto dalla progettazione dei materiali. Offre nuovi spunti fondamentali nella gestione dell'energia. La nuova intesa accelererà lo sviluppo di nuovi materiali per convertire il calore di scarto in energia e per l'uso efficiente dei combustibili.

Il gruppo di ricerca, guidato dal Professor Matt Rosseinsky presso il Dipartimento di Chimica e Fabbrica di Innovazione dei Materiali dell'Università e dal Dr. Jon Alaria presso il Dipartimento di Fisica dell'Università e dallo Stephenson Institute for Renewable Energy, progettato e sintetizzato il nuovo materiale in modo che combinasse due diverse disposizioni di atomi che si è scoperto che rallentano la velocità con cui il calore si muove attraverso la struttura di un solido.

Hanno identificato i meccanismi responsabili del ridotto trasporto di calore in ciascuna di queste due disposizioni misurando e modellando le conduttività termiche di due diverse strutture, ciascuno dei quali conteneva una delle disposizioni richieste.

Combinare questi meccanismi in un unico materiale è difficile, perché i ricercatori devono controllare esattamente come sono disposti gli atomi al suo interno. Intuitivamente, gli scienziati si aspetterebbero di ottenere una media delle proprietà fisiche dei due componenti. Scegliendo interfacce chimiche favorevoli tra ciascuna di queste diverse disposizioni atomiche, il team ha sintetizzato sperimentalmente un materiale che li combina entrambi (rappresentati come le lastre gialle e blu nell'immagine).

Questo nuovo materiale, con due disposizioni combinate, ha una conduttività termica molto inferiore rispetto a uno dei materiali principali con una sola disposizione. Questo risultato inaspettato mostra l'effetto sinergico del controllo chimico delle posizioni atomiche nella struttura, ed è la ragione per cui le proprietà dell'intera struttura sono superiori a quelle delle due singole parti.

Se assumiamo la conduttività termica dell'acciaio come 1, allora una barra di titanio è 0,1, acqua e un mattone da costruzione è 0,01, il nuovo materiale è 0,001 e l'aria è 0,0005.

Circa il 70 percento di tutta l'energia generata nel mondo viene sprecata sotto forma di calore. I materiali a bassa conduttività termica sono essenziali per ridurre e sfruttare questi rifiuti. Lo sviluppo di nuovi e più efficienti materiali termoelettrici, che può convertire il calore in elettricità, è considerata una fonte fondamentale di energia pulita.

Il professor Matt Rosseinsky ha dichiarato:"Il materiale che abbiamo scoperto ha la conduttività termica più bassa di qualsiasi solido inorganico ed è un conduttore di calore scadente quasi quanto l'aria stessa".

"Le implicazioni di questa scoperta sono significative, sia per la comprensione scientifica fondamentale che per le applicazioni pratiche nei dispositivi termoelettrici che raccolgono il calore di scarto e come rivestimenti di barriera termica per turbine a gas più efficienti."

Il dott. Jon Alaria ha dichiarato:"La scoperta entusiasmante di questo studio è che è possibile migliorare le proprietà di un materiale utilizzando concetti di fisica complementari e un'interfaccia atomica appropriata. Oltre al trasporto di calore, questa strategia potrebbe essere applicata ad altre importanti proprietà fisiche fondamentali come il magnetismo e la superconduttività, portando a una riduzione dell'energia informatica e a un trasporto più efficiente dell'elettricità."