Дефекты материала: секрет низкой теплопроводности

Исследователи из Квинслендского технологического университета (QUT) пролили свет на то, почему некоторые материалы обладают выдающимися теплоизоляционными свойствами. Это открытие имеет ключевое значение для разработки эффективных систем преобразования энергии, теплоизоляции и хранения газов.

Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, выявило структурный механизм, объясняющий аномально низкую теплопроводность материалов с неоднородным составом. Это свойство критически важно для преобразования тепловой энергии в электрическую.

Доктор Сици Лю, ведущий автор исследования, отметил, что полученные результаты идут вразрез с традиционными моделями, которые не учитывали роль микроструктурных особенностей. "Ранее считалось, что низкая теплопроводность неоднородных материалов обусловлена лишь способом смешивания компонентов," – пояснил Лю. "Однако мы обнаружили, что первопричиной являются крошечные дефекты, известные как краевые дислокации, которые рассеивают тепло значительно сильнее при случайном расположении".

В качестве модельной системы ученые использовали широко применяемый термоэлектрический сплав (Bi₀.₄Sb₁.₆Te₃). С помощью передовых методов электронной микроскопии и сканирующей зондовой микроскопии с тепловым анализом исследователи смогли детально картировать состав и тепловые свойства соединения на атомарном уровне.

Исследование показало, что материалы с более хаотичным распределением зон, обогащенных висмутом и сурьмой, демонстрируют более эффективное блокирование тепла по сравнению с материалами, имеющими более упорядоченную структуру. Это связано с тем, что случайное расположение краевых дислокаций нарушает поток тепла.

Профессор Чжи-Ганг Чен, руководитель группы, подчеркнул, что данное открытие открывает новые перспективы для создания материалов с настраиваемыми тепловыми характеристиками. "Понимая, как эти дислокации формируются и ориентируются, мы можем более точно конструировать материалы для энергетических приложений," – сказал профессор Чен. "Это структурное понимание предоставляет новый принцип проектирования материалов с низкой теплопроводностью, выходящий за рамки традиционной инженерии дефектов".

Доктор Лю добавил, что результаты исследования могут иметь широкое применение в различных отраслях промышленности. "Будь то повышение эффективности термоэлектрических генераторов или разработка более совершенных теплоизоляторов, наша работа предоставляет новый инструмент для контроля теплового потока на атомарном уровне," – отметил доктор Лю.