Une équipe internationale de chercheurs, dirigée par l’Université Drexel, a découvert qu’une high-quality couche de MXene – un sort de nanomatériau bidimensionnel découvert et étudié à Drexel pendant as well as d’une décennie – pourrait améliorer la capacité d’un matériau à piéger ou à évacuer la chaleur. La découverte, qui est liée à la capacité de MXene à réguler le passage du rayonnement infrarouge ambiant, pourrait conduire à des avancées dans les vêtements thermiques, les éléments chauffants et de nouveaux matériaux pour le chauffage et le refroidissement radiatifs.
Le groupe, qui comprend des chercheurs en science des matériaux et en optoélectronique de Drexel et des informaticiens de l’Université de Pennsylvanie, a récemment exposé sa découverte sur les capacités de chauffage et de refroidissement radiatifs associées au MXene dans un post intitulé “Flexibility of infrarouge properties of MXene” dans le Elsevier revue Matériaux Aujourd’hui.
“Cette recherche révèle une autre facette de la polyvalence des matériaux MXene”, a déclaré Yury Gogotsi, PhD, Distinguished College et titulaire de la chaire Bach du Drexel’s College of Engineering, qui était l’un des chefs de file de la recherche. “Les revêtements MXene possédant des capacités exceptionnelles pour contenir ou émettre un rayonnement infrarouge, tout en restant extrêmement minces – 200 à 300 fois additionally fins qu’un cheveu humain – légers et flexibles, pourraient trouver des programs à la fois dans la gestion thermique localisée et le chauffage et le refroidissement radiatifs à grande échelle. Il y a des avantages significatifs avec le chauffage et le refroidissement infrarouges passifs par rapport aux systèmes actifs traditionnels, qui nécessitent une alimentation électrique pour fonctionner.
Les MXenes sont une famille de nanomatériaux bidimensionnels découverts à l’origine par les chercheurs de Drexel en 2011, qui – en raison de leur composition et de leur construction bidimensionnelle – se sont progressivement révélés exceptionnels pour conduire l’électricité, stocker l’énergie électrique, filtrer les composés chimiques et bloquer rayonnement électromagnétique, entre autres capacités. Au fil des ans, les scientifiques des matériaux ont produit et étudié de manière approfondie des MXènes avec diverses compositions chimiques, ce qui a abouti à la découverte de nombreuses purposes.
Dans leur post récent, l’équipe a mesuré la capacité de 10 compositions différentes de MXene à aider ou à entraver le passage du rayonnement infrarouge – une mesure appelée “émissivité” – qui est en corrélation avec leur capacité à capter ou à dissiper passivement la chaleur ambiante.
“Nous savions, grâce à des recherches antérieures, que les MXenes sont in addition que capables de réfléchir ou d’absorber les ondes radio et le rayonnement micro-ondes, donc examiner leur interaction avec le rayonnement infrarouge, qui a une longueur d’onde beaucoup additionally courte, était la prochaine étape”, a déclaré Danzhen Zhang, un co -chercheur doctorant dans le laboratoire de Gogotsi et co-auteur de l’article. “L’avantage de pouvoir contrôler le passage du rayonnement infrarouge est que nous pouvons utiliser ce sort de rayonnement pour le chauffage passif – si nous pouvons le contenir – ou le refroidissement passif – si nous pouvons le dissiper. Les MXenes que nous avons testés ont montré qu’ils peuvent faire les deux, en fonction de leur composition élémentaire et du nombre de couches atomiques.”
Par rapport aux matériaux de refroidissement passifs disponibles sur le marché aujourd’hui, qui permettent au rayonnement infrarouge thermique du corps – la chaleur corporelle – de s’échapper à travers sa composition textile légère et poreuse, les textiles enduits de MXene peuvent faire encore mieux, selon Tetiana Hryhorchuk, doctorant dans le laboratoire de Gogotsi et co-auteur de la recherche, vehicle ces textiles enduits ont la capacité supplémentaire de réfléchir le rayonnement infrarouge externe, d’éviter l’échauffement par la lumière du soleil, tout en permettant au rayonnement infrarouge, émis par le corps, de passer.
Les chercheurs ont découvert que le carbure de niobium MXenes pouvait dissiper efficacement la chaleur tandis que le carbure de titane présentait une protection thermique exceptionnelle, sa température n’atteignant que 43 degrés Celsius après avoir été chauffé pendant cinq minutes sur une plaque chauffante à 110 degrés.
“Une émissivité élevée comme dans le carbure de niobium est également doable dans les matériaux diélectriques”, a déclaré Gogotsi. “Cependant, les MXenes combinent cette capacité avec la conductivité électrique, ce qui signifie que ces MXenes peuvent également être utilisés comme éléments chauffants électriques actifs avec l’alimentation externe.”
Un revêtement de carbure de titane MXene s’est avéré renforcer les matériaux contre la pénétration et l’émission de rayonnement infrarouge. Lors des assessments, les matériaux revêtus de MXene, même avec un revêtement mince, ont mieux résisté au rayonnement infrarouge que les métaux polis, qui sont actuellement les matériaux commerciaux les in addition performants. Cela signifie que les MXenes pourraient être intégrés dans des vêtements légers qui maintiennent le porteur au chaud dans des environnements extrêmes.
Pour le tester, l’équipe a teint un t-shirt en coton avec une alternative de carbure de titane MXene et a utilisé une caméra thermique infrarouge pour surveiller la température d’une personne qui le porte. Les résultats ont montré que la chemise enduite de MXene gardait son porteur à environ 10 à 15 degrés Celsius in addition frais – à peu près à température ambiante – qu’une personne portant un tee-shirt normal.
Ces résultats suggèrent que les vêtements enduits de MXene sont efficaces pour maintenir la température corporelle, tout en offrant également l’avantage d’être appliqués through un processus de revêtement par trempage relativement as well as facile que la plupart des vêtements thermiques.
“Les vêtements thermiques commerciaux utilisent des fibres polymères très fines à faible conductivité thermique – la toison, par exemple”, a déclaré Lingyi Bi, doctorant au laboratoire de Gogotsi, spécialisé dans les textiles. “Ils nous gardent au chaud en minimisant le transfert de chaleur à travers le tissu, pour le faire efficacement, ils doivent être très épais. Mais MXene nous garde principalement au chaud en empêchant la fuite de la chaleur corporelle sous forme de rayonnement infrarouge. Par conséquent, un revêtement MXene plus fin que la soie pourrait fournir un réchauffement efficace. C’est le même principe qui est utilisé dans les couvertures thermiques Mylar que les coureurs obtiennent après une system par temps froid.
Gogotsi suggère que la capacité de blocage des infrarouges pourrait également être utilisée pour camoufler les personnes et les équipements des dispositifs de détection thermique, ou pour transmettre secrètement des informations through des codes d’identification par radiofréquence visibles uniquement par les lecteurs infrarouges.
L’équipe prévoit de continuer à étudier les mécanismes sous-jacents au bloc IR et au comportement d’émission du MXene, ainsi qu’à tester les MXènes avec différentes compositions chimiques pour optimiser leur potentiel en tant que matériaux de chauffage et de refroidissement radiatifs.