Vytvořen odolný tepelný izolant, který konkuruje vzduchu

TLDR: Kombinace dvou různých atomárních uspořádání vytvořilo materiál s rekordně malou tepelnou vodivostí, který je nejspíše odolný i mechanicky. Studie tuna.

Lepší než vzduch?

Vědátoři z University of Beatles… pardon, University of Liverpool vykoumali materiál, který mý absolutně nicotnou tepelnou vodivost, a to až takovou, že konkuruje… inu, vzduchu! To možná pro některé nezní tak úžasně. „Vzduch“ bohužel pro mnohé nemá zase tak úžasnou materiálovou pověst. A to trochu neprávem! Proto se podívejme, proč by to mohlo znamenat nikoliv revoluci – ale postupnou evoluci ve stínění teploty! A to ať už u vás doma na oknech, anebo jednou ve fúzních reaktorech…

Materiály s „minimálním koeficientem tepelné vodivosti“ zní krásne odborně, ale když to řeknu česky tak nejde o nic jiného než prachsprostou tepelnou izolaci. A to už safra nějakou dobu umíme. Naši praprapra předkové si stavěli cháše z bahna a rákosí nejen aby to drželo! Ale protože takové stěny dokážou udržet vnitřní teplotu na uspokojivé úrovni a pralidem tak neumrzly jejich chlupaté zadky. My s našimi dnešními, technologicky upravenými chlupatými zadky pomocí stejné logiky využíváme tepelné obložení na naše paláce, které se typicky sestává ze skleněné vaty nebo polystyrenu… Ergo tedy taky materiály s nízkou tepelnou vodivostí.

Nicméně tady je velkým pomocníkem právě vzduch. Ten je ze všech známých materiálů úplně nejlepčejší tepelný izolant, jehož tepelná vodivost je nicotná [lambda] = 0,26 [W.m-1.K-1]. Ano, vzduch je váš kamarád, pokud chcete ušetřit za vytápění (či i chlazení). Naše používané tepelné izolanty jsou totiž hodně porézní a díky tomu tu izolační práci vlastně dělá onen vzduch…

U polystyrenu evidujeme [lambda] = 0,03-0,16 podle toho, jak je napěněný. Pro porovnání, tepelná vodivost skla je 1 a třeba výborný tepelný vodič železo má [lambda] 80! To je taky přesně ten důvod, proč se vám fakt blbě hmatá na lžičku v horkém čaji… Ale proč skláři jsou schopné udržet tyčku skla, která se na druhém konci taví.

Samozřejmě, vědátoři míří i přesně opačným směrem – za absolutně brutální tepelnou vodivostí, ale o tom zas jindy a zatím jukněte ke kolegovi. Na každý pád platí, že právě se vzduchem si nova studie nemohla vystačit – a tak musela přijít s něčím novým a skoro stejně tak dobrým!

Zdroj: Lucasfilm
Zdroj: Lucasfilm

Jako nahý

Využití vzduchových bublinek ve stavebních materiál má problémy, které právě řeší materiálová fyzika. Vzduch je sice super tepelný izolant, ale kdybychom jím chtěli chránit kupříkladu výfuky z našich motorek, komory motorů či fúzních reaktorů… Tak z něj jaksi vrstvu neuděláme. Protože jej odfoukneme. Stejně tak polystyren nám asi neudrží teploty stovek až tisíců stupňů celsia, protože by shořel jak papír. Vzduch je tedy pro tyto účely poněkud nepraktický, asi jako mít brnění sestavené z císařových nových šatů…

Za druhé pak vzduch řeší stejně jen převod tepla kondukcí – tedy kontaktem. Na převod tepla radiací naštěstí tlumící efekt nemá (jinak by nás Sluníčko nehřálo), ale je pravda že tohle obvykle není problém u nás na Zemi, kde nějaké radiační tlumení není svízel. Ledaže byste seděli moc blízko ohně a trochu vás to osmahlo, ale to se typicky děje jenom steakům.

Dle nové studie ale materiálová našla řešení v TBC! Tentokrát se nejedná o dusivé chrchlání vašeho otce, ale o Thermal Barrier Coating! Tedy tenké vrstvy, které jsou schopny také štítit vedení tepla –tedy jej zastavit – ale přitom jsou safra odolné a něco herdek vydrží. V tomto kontextu se typicky bavíme především o keramikách. Ty sice nejsou zas tak mocné tlumiče tepelného přenosu, ale safra odolnými tlumiči, takže oproti polystyrenu zvládnou teploty stovek až tisíce °C a neshoří (potažmo nepopraskají).

Shodou okolností přesně v tomhle oboru taky vědátoruje i autor těchto řádků, Dr. Jan Tomáštík z Univerzity Palackého v Olomouci, který právě; pro tento účel dal brutálně pokouřit SiCN vrstvám a pak testoval jestli to fakt holky jedny očouzené zvládly. Ale dost sebechvály, pojďme na chválu britských vědátorů!

Jejich článek vyšel nedávno přímo ve Science, a tým výhodně vedený fyzikem a chemikem, profesorem Mattem Rosseinskyem a doktorem Jonem Alariem, tu představil anorganický kompozitní materiál Bi4O4SeCl2. U toho zároveň dokonce popsal a správným způsobem ovlivnil mechanismus přenosu tepla na atomární úrovni!

Anorganické materiály jsou ty, které neobsahují žádný uhlík, a tento byl vyroben z BiOCl a Bi2O2Se. Jak název napovídá, je to sloučenina bizmutu, kyslíku, selenu a chloru. Aby vědátoři vytvořili nový vodivý materiál, našel tým dvě různá uspořádání atomů v těchto materiálech, což mělo za následek špatnou tepelnou vodivost.

Poté studovali mechanismy odpovědné za zpomalení tepla v každém z těchto uspořádání a našli způsob, jak se k nim připojit způsobem, který jim umožnil kombinovat účinky zpomalující teplo, místo toho, aby rozdíl jednoduše zprůměrovali! A dobrá věc se podařila!

To je on v celé kráse! Popíšeme si víc níž. Zdroj: University of Liverpool
To je on v celé kráse! Popíšeme si víc níž. Zdroj: University of Liverpool

Až na atom

Na obrázku výše můžete vidět vizuální znázornění dvou různých atomových uspořádání, představovaných žlutou a modrou, které se spojují, aby nejúčinněji zpomalily pohyb tepla materiálem. Ve vědátorské mluvě – využili střídání pevně a slabě vázaných struktur, které zajistili výhodný rozptyl fononů neboli kvant mřížkových kmitů přenášejících teplo (bo teplo je pohyb, víme…).

Výsledkem je, že Bi4O4SeCl2 je mnohem horší vodič tepla, než jakýkoli z těchto dvou uspořádání, které jsou samy o sobě, přičemž dosahuje tepelné vodivosti pokojové teploty pouhých 0,1 W K − 1 m − 1. Jinými slovy, materiál je součet větší než jeho části!

Je ale zároveň důležité si uvědomit, že tato studie zkoumala pouze tepelnou vodivost nového materiálu a žádné další efekty, jako je elektrická vodivost nebo magnetismus, a především zmiňovanou odolnost. Zatím tedy není jasné, zda by tento materiál mohl být použit v reálných aplikacích, jako je výpočetní technika, elektrická síť nebo třeba výfuk vaší motorky či štítění kosmické družice na Venuši…

Když teď víme, jak vrstvit atomy tímto suprkomplikovaným způsobem, otevírá to velký potenciál pro nové materiály, které berou tyto vlastnosti tepelné vodivosti – kombinují je s dalšími žádoucími vlastnostmi pro zvýšení termoelektrického výkonu nebo otevření supravodivosti. Čili lidštěji řečeno: bude se na co těšit! Možná ne hned, možná ne úplně v matroších vašich bund anebo stěn – ale o to významněji třeba jednou pro tu fúzi!

Já jen držím palce a doufám, že po čínském superchladícím trčku je na delší čas nkoliv poslední cool… nebo vlastně spíše žhavá novinka ze světa matrošovědy!

[Jan “JaRon” Tomaštík]

Vědátor vzniká v dílně spolku studentů a popularizátorů vědy UP Crowd za podpory MUDRstart, který tvoří přípravné testy pro studenty vysokých škol. Krom různých autorů projekt jako šéfredaktor vede Ladislav Loukota – jeho kontaktní mail je vedatororg@seznam.cz

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Reklama