Вы наверняка знаете, что горячий чай в металлической чашке гораздо неприятнее брать в руки, чем горячий чай в пене. Это классический пример того, что некоторые материалы лучше проводят тепло, чем другие. Именно поэтому дома часто утепляют такими материалами, как целлюлоза или стекловолокно; именно поэтому горячие жидкости подаются в пене. В частности, металлы проводят тепло лучше, чем неметаллы, а твердые тела проводят тепло лучше, чем газы. Вот почему окна с двойным остеклением лучше изолируют ваш дом: Если внутри стеклопакета есть тонкий воздушный карман, то этот воздух будет делать многое.
Исследователи из Ливерпульского университета в Великобритании создали материал, который, по их словам, обладает наихудшей теплопроводностью практически из всех твердых материалов, когда-либо доступных человеку. Если это звучит как странное направление, то это не так - материал, который является ужасным проводником тепла, может стать превосходным изолятором, и такие материалы могут сыграть ключевую роль в достижении нулевого уровня выбросов парниковых газов. Исследователи опубликовали свою работу в четверг в журнале Science.
"Обнаруженный нами материал обладает самой низкой теплопроводностью среди всех неорганических твердых тел и является почти таким же плохим проводником тепла, как сам воздух", - говорится в заявлении Мэтта Россейнски, химика из Ливерпульского университета в Великобритании и одного из авторов исследования.
Теплопроводность связана с атомной структурой. Хотя газы могут быть горячее жидкостей или твердых тел, они хуже проводят тепло, потому что их атомы расположены дальше друг от друга. Чем больше способов колебания атомов, тем больше способов проведения тепла. Эти колебания называются фононами; чем больше их у материала, тем лучше он проводит тепло.
Итак, один из ключей к созданию материалов, которые являются худшими проводниками и лучшими изоляторами, - это изменение атомной структуры материала. Таким образом, вы измените игру фононов в этом материале.
В Ливерпульском университете исследователи обратились к двум разным соединениям: одно называется оксихлорид висмута (переливающееся твердое вещество, которое часто используется для придания косметике жемчужного оттенка), а второе - оксиселенид висмута.
Оба материала имеют фононы, которые работают в разных направлениях. Поэтому, сложив их вместе в одну стопку, исследователи смогли сплавить их в материал, который особенно плохо передает тепло между слоями этой стопки.
В результате получился материал, который, по словам его создателей, почти так же плохо проводит тепло, как газообразный воздух. То есть, этот материал в десять раз хуже проводит тепло, чем жидкая вода, в сто раз хуже, чем твердый титан, и в тысячу раз хуже, чем сталь.
Джон Алария, физик из Ливерпульского университета и один из авторов исследования, считает, что создание материалов с низкой проводимостью, подобных их, имеет больше применений, чем просто побитие рекордов. "Эта стратегия может быть применена к другим важным фундаментальным физическим свойствам, таким как магнетизм и сверхпроводимость, что приведет к вычислениям с меньшим энергопотреблением и более эффективной транспортировке электроэнергии", - говорит он в своем заявлении.
Потери тепла - их главное препятствие. На самом деле, нетрудно представить потери тепла как злой дух, преследующий каждую часть мировых энергетических систем. Большая часть этих теплопотерь происходит из-за трения, но значительная часть также происходит из-за потери тепла через материалы. Если энергия, которая идет на отопление вашего дома, уходит в воздух снаружи, то это потери, и эти потери уходят из нашей энергетической системы.
На самом деле, по оценкам аналитиков из Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора, из-за мозаики неэффективности - неправильного использования, потерь в электрической сети, и даже отвода тепла - ошеломляющие две трети производимой в США энергии никогда не достигают своей конечной цели.
Поэтому, говорят ученые, есть все основания для продолжения исследований подобных материалов. Создание лучшей изоляции и лучших материалов может значительно сократить потребление энергии и внести значительный вклад в снижение зависимости мира от ископаемого топлива.