Las nuevas telas no tejidas de la Universidad de Bayreuth son eléctricamente conductoras pero aislantes del calor

investigadores en Universidad de Bayreuth Los no tejidos electrohilados son actuales en Science Advances y exhiben una combinación extraordinaria de alta conductividad eléctrica y conductividad térmica extremadamente baja. Las telas no tejidas representaron un gran avance en la investigación de materiales: fue posible separar la conductividad eléctrica y térmica en base a un concepto de material de fácil implementación. Las telas no tejidas están hechas de cerámica y carbón a base de silicio a través de un proceso de electrohilado y son atractivas para aplicaciones tecnológicas, por ejemplo, en tecnología energética y electrónica. Puede fabricarse y procesarse de manera rentable a escala industrial.

Por lo general, la alta conductividad eléctrica se asocia con una alta conductividad térmica y la 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 buena electricidad y baja transferencia de calor. Aunque se han desarrollado muchas estrategias en materiales, como materiales inorgánicos densos, polímeros conjugados y aleaciones, lograr una conductividad térmica ultrabaja con una conductividad eléctrica alta sigue siendo un desafío importante para los materiales flexibles y maleables.

El equipo de investigación de la Universidad de Bayreuth ha descubierto un concepto innovador para hacer frente a este desafío: las nuevas telas no tejidas electrostáticas están hechas de cerámica a base de carbono y silicio y consisten en fibras con una nanoestructura tipo isla marina con un diámetro de entre 500 y 600 nanómetros. Cada fibra contiene una matriz de carbono en la que se distribuyen homogéneamente las fases cerámicas de tamaño nanométrico. Las partículas forman pequeñas «islas» en el «mar» de la matriz de carbono y tienen efectos complementarios opuestos. La matriz de carbono permite el transporte de electrones en las fibras y, por lo tanto, la alta conductividad eléctrica, mientras tanto, las cerámicas a base de silicio de tamaño nanométrico evitan que la energía térmica se propague con la misma facilidad. Esto se debe a que la interfaz entre la cerámica de tamaño nanométrico y la matriz de carbono es muy alta, mientras que los poros de las telas no tejidas son muy pequeños. Como resultado, hay una fuerte dispersión de fonones, que son las unidades físicas más pequeñas de vibraciones debidas a la energía térmica. No se produce un flujo de calor continuo.

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La combinación inusual de alta conductividad eléctrica y muy baja conductividad térmica ahora se destaca en comparación con más de 3900 materiales de todo tipo, incluidos cerámica, carbono, materiales naturales, polímeros sintéticos, metales, vidrios y varios compuestos. El transporte electrónico y el secuestro de energía térmica estaban más correlacionados en el nuevo material de fibra compuesta electrohilado que en esos otros materiales.

«Nuestros no tejidos eléctricos combinan propiedades multifuncionales muy atractivas que normalmente se distribuyen entre diferentes clases de materiales: alta conductividad eléctrica, el aislamiento térmico familiar de las espumas poliméricas y la propiedad de resistencia al calor y la ignición de la cerámica. Las fibras se basan en un concepto de material simple , y han sido sintetizados a partir de polímeros comerciales”, dice el primer autor, el Dr. Xiaojian Liao, investigador postdoctoral en química molecular grande en la Universidad de Bayreuth.

dice el profesor Dr. Seema Agarwal, profesor de química molecular en la Universidad de Bayreuth y uno de los autores de este nuevo estudio.

El equipo interdisciplinario de la Universidad de Bayreuth, con experiencia en cerámica, polímeros, electrohilado, química física y microscopía electrónica, dio vida a este trabajo.

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