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研究人员已经展示了制造既坚硬又能隔热的材料的能力。这种特性的结合是非常不寻常的，并为一系列应用带来了希望，例如开发用于电子设备的新型隔热涂层。研究人员研究了一类称为二维杂化有机-无机钙钛矿的材料。这些薄膜由高度有序的晶体结构中交替的有机和无机层组成，如图所示。作者:刘军，北卡州立大学

设计出既坚固又隔热的新材料可能会发生革命性的变化扩大电子产品的隔热应用。

科学家们已经成功地设计出既坚固又能有效隔热的材料。这种极为罕见的属性组合为各种应用提供了巨大的潜力，包括为电子设备创造新的隔热涂层。

“具有高弹性模量的材料往往也具有高导热性，反之亦然，”北卡罗莱纳州立大学机械和航空航天工程副教授刘军说，他是该工作论文的共同通讯作者。“换句话说，如果一种材料是硬的，它就能很好地导热。如果一种材料不坚硬，那么它通常隔热效果很好。

材料性能及应用

“但在某些情况下，你想要的材料是坚硬的，但也是良好的绝缘体，”刘说。“例如，你可能想要制造隔热涂层来保护电子产品免受高温的影响。从历史上看，这是一个挑战。

“我们现在已经发现了一系列既坚固又优秀的隔热材料。更重要的是，我们可以根据需要设计材料，以控制它们的硬度和导热性。”

材料成分研究进展

具体来说，研究人员正在研究一类称为二维混合有机-无机钙钛矿(2D HOIP)的材料的子集。

“这些薄膜是由高度有序的晶体结构中交替的有机和无机层组成的，”魏友说，他是这篇论文的共同通讯作者，也是北卡罗来纳大学教堂山分校的化学和应用物理科学教授。“我们可以调整无机层或有机层的组成。”

“我们发现，我们可以通过用苯环取代有机层中的一些碳-碳链来控制一些二维hoip的弹性模量和导热性，”该论文的共同通讯作者、德克萨斯A&M大学材料科学与工程助理教授Qing Tu说。“基本上，在这一层状材料的特定子集中，我们添加的苯环越多，材料就越坚硬，隔热能力也就越强。”

“虽然发现这些材料本身具有巨大的应用潜力，但作为研究人员，我们特别兴奋，因为我们已经确定了产生这些特性的机制-即苯环所起的关键作用，”刘说。

在实验中，研究人员发现至少有三种不同的二维HOIP材料，它们变得越硬，导热性就越差。

发现与启示

“这项工作令人兴奋，因为它为具有理想性能组合的工程材料提供了一条新的途径，”刘说。

研究人员还发现了2D HOIP材料的另一个有趣现象。具体来说，他们发现，通过在有机层中引入手性，即使这些层中的碳链不对称，即使对有机层的组成进行实质性改变，它们也能有效地保持相同的刚度和导热性。

刘说:“这提出了一些有趣的问题，即我们是否能够优化这些材料的其他特性，而不必担心这些变化会如何影响材料的刚度或导热性。”

这篇论文发表在ACS Nano杂志上。北卡罗来纳州立大学的前博士生Ankit Negi是这篇论文的第一作者。

参考文献:“二维杂化金属卤化物钙钛矿的热导率和弹性模量的异常相关性”，作者Ankit Negi, Liang Yan, conong Yang, Yeonju Yu, Doyun Kim, Subhrangsu Mukherjee, Andrew H. Comstock, Saqlain Raza, Ziqi Wang, Dali Sun, Harald Ade, Qing Tu, You Wei and Jun Liu, 2024年5月24日，ACS Nano。DOI: 10.1021 / acsnano.3c12172

共同作者包括Yang, Andrew Comstock, Saqlain Raza和Ziqi Wang，北卡罗来纳州立大学的博士生;北卡罗来纳州立大学前博士生Subhrangsu Mukherjee;北卡州立大学物理学副教授孙大力(Dali Sun);Harald Ade，晚安创新北卡罗来纳州立大学杰出物理学教授;北卡罗来纳大学的梁燕;以及来自德州农工大学的Yu Yeonju和Doyun Kim。

这项工作得到了美国国家科学基金会的支持，项目编号为1943813、2311573和2154791;海军研究办公室，项目编号N000142012155;和能源部，项目编号为DE-SC0020992。