Los nuevos no tejidos de la Universidad de Bayreuth son eléctricamente conductores pero térmicamente aislantes
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Normalmente, una alta conductividad eléctrica se asocia con una alta conductividad térmica y una baja conductividad térmica se asocia con una baja conductividad eléctrica. Sin embargo, en muchas industrias de alta tecnología existe un interés creciente por los materiales multifuncionales que combinan un buen transporte eléctrico con un bajo transporte térmico. Aunque se han desarrollado varias estrategias en materiales, como materiales inorgánicos densos, polímeros conjugados y aleaciones, lograr una conductividad térmica extremadamente baja en combinación con una conductividad eléctrica alta sigue siendo un gran desafío para los materiales flexibles y plegables.
El equipo de investigación de la Universidad de Bayreuth ha descubierto un concepto innovador para hacer frente a este desafío: los nuevos no tejidos electrohilados están hechos de cerámica a base de carbono y silicio y están hechos de fibras con una nanoestructura similar a una isla marina y con un diámetro entre 500 y 600 nanómetros Cada fibra contiene una matriz de carbono en la que se distribuyen homogéneamente fases cerámicas de tamaño nanométrico. Las partículas forman pequeñas “islas” en el “mar” de la matriz de carbono y tienen efectos opuestos y complementarios. La matriz de carbono permite el transporte de electrones dentro de las fibras y, por lo tanto, una alta conductividad eléctrica, mientras que la cerámica a base de silicio de tamaño nanométrico evita que la energía térmica se propague con la misma facilidad. De hecho, la interfaz entre la cerámica nanométrica y la matriz de carbono es muy alta, mientras que los poros del no tejido son muy pequeños. Esto da como resultado una fuerte dispersión de fonones, que son las unidades físicas más pequeñas de vibraciones provocadas por la energía térmica. No se produce un flujo de calor dirigido continuo.
La combinación inusual de alta conductividad eléctrica y conductividad térmica extremadamente baja ahora se evidencia mediante una comparación con más de 3900 materiales de todo tipo, incluidos cerámicas, carbonos, materiales naturales, polímeros sintéticos, metales, vidrios y varios compuestos. El transporte de electrones y el aislamiento de energía térmica estaban más acoplados en el nuevo material de fibra compuesta electrohilada que en estos otros materiales.
“Nuestros no tejidos electrohilados combinan propiedades multifuncionales muy interesantes que generalmente se distribuyen entre diferentes clases de materiales: alta conductividad eléctrica, aislamiento térmico familiar de las espumas poliméricas y retardo de llama y resistencia al calor característicos de la cerámica. Las fibras se basan en un concepto de material simple, y estaban hechos de polímeros comerciales”, dice el primer autor, el Dr. Xiaojian Liao, investigador postdoctoral en química macromolecular en la Universidad de Bayreuth.
“Estamos convencidos de que nuestras nuevas fibras son adecuadas para varias áreas de aplicación: por ejemplo, en las áreas de gestión de energía, electromovilidad alimentada por baterías, textiles inteligentes o aeroespacial”, dice la profesora Seema Agarwal, profesora de química macromolecular en la Universidad de Bayreuth y uno de los autores correspondientes de este nuevo estudio.
El equipo interdisciplinario de la Universidad de Bayreuth, expertos en cerámica, polímeros, electrohilado, química física y microscopía electrónica, hicieron de este trabajo un éxito.
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