Une équipe de recherche collaborative, dirigé par l'Université de Liverpool, a découvert un nouveau matériau inorganique avec la plus faible conductivité thermique jamais signalée. Cette découverte ouvre la voie au développement de nouveaux matériaux thermoélectriques qui seront essentiels pour une société durable.

Rapporté dans le journal Science , cette découverte représente une percée dans le contrôle des flux de chaleur à l'échelle atomique, obtenu par la conception des matériaux. Il offre de nouvelles perspectives fondamentales sur la gestion de l'énergie. La nouvelle compréhension accélérera le développement de nouveaux matériaux pour convertir la chaleur résiduelle en électricité et pour une utilisation efficace des combustibles.

L'équipe de recherche, dirigé par le professeur Matt Rosseinsky du département de chimie et de l'usine d'innovation des matériaux de l'université et le Dr Jon Alaria du département de physique de l'université et du Stephenson Institute for Renewable Energy, conçu et synthétisé le nouveau matériau afin qu'il combine deux arrangements différents d'atomes qui ralentissent chacun la vitesse à laquelle la chaleur se déplace à travers la structure d'un solide.

Ils ont identifié les mécanismes responsables de la réduction du transport de chaleur dans chacun de ces deux arrangements en mesurant et modélisant les conductivités thermiques de deux structures différentes, dont chacun contenait l'un des arrangements requis.

La combinaison de ces mécanismes dans un seul matériau est difficile, parce que les chercheurs doivent contrôler exactement comment les atomes sont disposés à l'intérieur. Intuitivement, les scientifiques s'attendraient à obtenir une moyenne des propriétés physiques des deux composants. En choisissant des interfaces chimiques favorables entre chacun de ces différents arrangements atomiques, l'équipe a synthétisé expérimentalement un matériau qui les combine tous les deux (représentés par les plaques jaune et bleue dans l'image).

Ce nouveau matériau, avec deux arrangements combinés, a une conductivité thermique beaucoup plus faible que l'un ou l'autre des matériaux parents avec un seul arrangement. Ce résultat inattendu montre l'effet synergique du contrôle chimique des emplacements atomiques dans la structure, et c'est la raison pour laquelle les propriétés de l'ensemble de la structure sont supérieures à celles des deux parties individuelles.

Si nous prenons la conductivité thermique de l'acier comme 1, alors une barre de titane vaut 0,1, l'eau et une brique de construction est de 0,01, le nouveau matériau est 0,001 et l'air est 0,0005.

Environ 70 pour cent de toute l'énergie produite dans le monde est gaspillée sous forme de chaleur. Les matériaux à faible conductivité thermique sont essentiels pour réduire et exploiter ces déchets. Le développement de nouveaux matériaux thermoélectriques plus performants, qui peut convertir la chaleur en électricité, est considérée comme une source clé d'énergie propre.

Le professeur Matt Rosseinsky a déclaré:"Le matériau que nous avons découvert a la conductivité thermique la plus faible de tous les solides inorganiques et est presque aussi mauvais conducteur de chaleur que l'air lui-même."

« Les implications de cette découverte sont importantes, à la fois pour la compréhension scientifique fondamentale et pour les applications pratiques dans les dispositifs thermoélectriques qui récupèrent la chaleur résiduelle et comme revêtements de barrière thermique pour des turbines à gaz plus efficaces. »

Le Dr Jon Alaria a déclaré :« La découverte passionnante de cette étude est qu'il est possible d'améliorer la propriété d'un matériau en utilisant des concepts de physique complémentaires et une interface atomistique appropriée. Au-delà du transport de chaleur, cette stratégie pourrait être appliquée à d'autres propriétés physiques fondamentales importantes telles que le magnétisme et la supraconductivité, conduisant à un calcul à faible consommation d'énergie et à un transport plus efficace de l'électricité. »