I ricercatori sviluppano nuovi non tessuti che sono elettricamente conduttivi ma termicamente isolanti

4 aprile 2023

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dall'Università di Bayreuth

I ricercatori dell’Università di Bayreuth presentano su Science Advances nuovi tessuti non tessuti elettrofilati che mostrano un’insolita combinazione di elevata conduttività elettrica e conduttività termica estremamente bassa.

I non tessuti rappresentano una svolta nella ricerca sui materiali: è stato possibile disaccoppiare la conduttività elettrica e termica sulla base di un concetto di materiale semplice da implementare. I non tessuti sono realizzati in ceramica a base di carbonio e silicio mediante processo di elettrofilatura e sono interessanti per applicazioni tecnologiche, ad esempio nella tecnologia energetica e nell'elettronica. Possono essere prodotti e lavorati in modo economicamente vantaggioso su scala industriale.

Normalmente, un'elevata conduttività elettrica è associata ad un'elevata conduttività termica, mentre una bassa conduttività termica è associata ad una bassa conduttività elettrica. Tuttavia, in molti settori high-tech, vi è un crescente interesse per i materiali multifunzionali che combinano un buon trasporto elettrico con un basso trasporto termico.

Sebbene siano state sviluppate diverse strategie nei materiali, come materiali inorganici densi, polimeri coniugati e leghe, ottenere una conduttività termica estremamente bassa in combinazione con un'elevata conduttività elettrica rappresenta ancora una sfida importante per i materiali flessibili e pieghevoli.

Il gruppo di ricerca dell’Università di Bayreuth ha scoperto un concetto innovativo per affrontare questa sfida: i nuovi non tessuti elettrofilati sono realizzati in ceramica a base di carbonio e silicio e sono costituiti da fibre con una nanostruttura di tipo isola marina e con un diametro compreso tra 500 e 600 nanometri.

Ogni fibra contiene una matrice di carbonio in cui sono distribuite omogeneamente fasi ceramiche di dimensioni nanometriche. Le particelle formano minuscole "isole" nel "mare" della matrice di carbonio e hanno effetti opposti e complementari. La matrice di carbonio consente il trasporto degli elettroni nelle fibre e quindi un'elevata conduttività elettrica, mentre la ceramica nanometrica a base di silicio impedisce all'energia termica di diffondersi altrettanto facilmente.

Questo perché l’interfaccia tra la ceramica nanometrica e la matrice di carbonio è molto alta, mentre i pori del non tessuto sono molto piccoli. Di conseguenza, c'è una forte dispersione di fononi, che sono le più piccole unità fisiche di vibrazione innescate dall'energia termica. Non si verifica un flusso di calore diretto e continuo.

L’insolita combinazione di elevata conduttività elettrica ed estremamente bassa conduttività termica è ora evidenziata da un confronto con oltre 3.900 materiali di tutti i tipi, tra cui ceramica, carbonio, materiali naturali, polimeri sintetici, metalli, vetro e vari compositi. Il trasporto degli elettroni e l’isolamento dell’energia termica erano più accoppiati nel nuovo materiale in fibra composita elettrofilata che in quegli altri materiali.

"I nostri non tessuti elettrofilati combinano proprietà multifunzionali altamente attraenti che di solito sono distribuite tra diverse classi di materiali: elevata conduttività elettrica, isolamento termico familiare alle schiume polimeriche e ininfiammabilità e resistenza al calore caratteristiche della ceramica. Le fibre si basano su un semplice concetto di materiale , ed erano realizzati con polimeri commerciali", afferma il primo autore, il dottor Xiaojian Liao, ricercatore post-dottorato in chimica macromolecolare presso l'Università di Bayreuth.

"Siamo convinti che le nostre nuove fibre siano adatte per diverse aree di applicazione: ad esempio, nei campi della gestione energetica, dell'elettromobilità alimentata a batteria, dei tessuti intelligenti o dell'aerospaziale", afferma il Prof. Dr. Seema Agarwal, professore di chimica macromolecolare alla l'Università di Bayreuth e uno degli autori corrispondenti di questo nuovo studio. Il team interdisciplinare dell’Università di Bayreuth, con esperienza in ceramica, polimeri, elettrofilatura, chimica fisica e microscopia elettronica, ha reso questo lavoro un successo.