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.
