Vật liệu có thể cùng lúc vừa truyền nhiệt lại vừa cách nhiệt

Cách nhiệt và dẫn nhiệt đóng một vai trò quan trọng trong đời sống hàng ngày của chúng ta – từ các bộ xử lý máy tính, nơi việc tản nhiệt càng nhanh càng tốt, đến các ngôi nhà, nơi cách nhiệt tốt để giảm chi phí năng lượng là điều thiết yếu. Thông thường các vật liệu rỗng, cực nhẹ như polystyrene được sử dụng cho cách điện, trong khi các vật liệu nặng như kim loại thường được sử dụng để tản nhiệt. Một vật liệu mới do các nhà khoa học tại MPI-P và Bayreuth phát triển có thể kết hợp được cả hai đặc tính này.

Vật liệu này bao gồm các phiến kính siêu mỏng đặt xen kẽ giữa những chuỗi polymer đơn được chèn vào. “Theo nguyên tắc, vật liệu của chúng tôi được tạo ra theo nguyên tắc kính hai lớp”, Markus Retsch, giáo sư trường đại học Bayreuth, nói. “Ở đây chỉ có điểm khác biệt là chúng tôi không chỉ có hai lớp mà có tới hàng trăm lớp”.

Trong các thuật ngữ ở cấp độ vi mô, nhiệt là một chuyển động hoặc dao động của các phân tử đơn trong vật liệu vốn được truyền cho các phân tử lân cận. Bằng việc dựng lên nhiều lớp trên đỉnh của vật khác, việc chuyển nhiệt này được giảm xuống: mỗi lớp biên giới mới lại ngăn phần nhiệt được chuyển. Tương phản, nhiệt trong một lớp có thể được truyền tốt – không có giao diện nào có thể ngăn được dòng nhiệt. Về tổng thể, việc truyền nhiệt bên trong một lớp vật liệu cao gấp 40 lần so với phương  vuông góc.

Dẫn nhiệt dọc theo các lớp được so sánh với việc dẫn nhiệt của kem tản nhiệt, vốn được sử dụng cùng với những thứ khác để nhằm tản nhiệt các bộ vi xử lý máy tính. Với các vật liệu cách điện chứa polymer/kính, giá trị này cao một cách khác thường – gấp sáu lần các loại nhựa thương mại hiện có.

Bởi vật liệu này vận hành một cách hiệu quả và lại trong suốt, các lớp đều phải được chế tạo với độ chính xác rất cao – bất kỳ sự thiếu đồng nhất nào cũng có thể làm mất đi độ trong tương tự như một vết xước trong một tấm plexiglas – một loại nhựa nhiệt dẻo trong suốt. Mỗi lớp này dày chỉ một phần triệu của một nano mét. Để nghiên cứu được độ đồng nhất của trình tự lớp này, vật liệu được nhóm nghiên cứu của Josef Breu, giáo sư hóa vô cơ của trường ĐH Bayreuth, mô tả đặc điểm. “Chúng tôi sử dụng các tia X để rọi lên vật liệu này”, Breu nói. “Bằng việc chồng các tia này và để nó phản chiếu lên từng đơn lớp, chúng tôi có thể chứng tỏ các lớp được tạo ra một cách vô cùng chính xác”.

Giáo sư Fytas, cùng khoa với giáo sư Hans-Jürgen Butt, có thể đưa ra một câu trả lời cho câu hỏi lại sao cấu trúc hình lớp đó lại có những đặc tính khác biệt một cách lạ thường dọc theo chiều thẳng đứng với từng bản kính một. Bằng việc sử dụng một phương pháp đo đạc đặc biệt dựa trên laser, nhóm nghiên cứu của ông có thể mô tả đặc điểm của việc truyền sóng âm, giống như nhiệt được gắn liền với chuyển động của các phân tử của vật liệu. “Vật liệu trong suốt với cấu trúc như thế này rất tuyệt để giúp chúng ta có thể hiểu viết thêm về cách âm thanh truyền theo những hướng khác nhau như thế nào”, Fytas giải thích. Các vận tốc khác biệt của âm thanh cho phép rút ra các kết luận về các đặc tính cơ học phụ thuộc hướng, vốn chưa thể giải thích bằng bất kỳ phương pháp nào.

Trong công trình nghiên cứu tiếp theo, các nhà nghiên cứu hi vọng sẽ có được những hiểu biết sâu sắc hơn về cách truyền âm thanh và nhiệt có thể bị cấu trúc của các miếng kính và hỗn hợp polymer ảnh hưởng như thế nào. Các nhà nghiên cứu thấy một ứng dụng có thể triển khai trong lĩnh vực LED hiệu năng cao, trong đó lớp kính-polymer được gắn vào với hai mục đích, một để tạo ra một lớp vỏ bọc trong suốt, mặt khác có thể tản nhiệt phát ra ngay lập tức.

Các nhà nghiên cứu đã công bố công trình của mình “Tunable Thermoelastic Anisotropy in Hybrid Bragg Stacks with Extreme Polymer Confinement” trên tạp chí danh tiếng Angewandte Chemie—International Edition.

Anh Vũ dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2020-01-material-heat-insulating-heat-conducting.html