Une équipe internationale de chercheurs, dirigée par l’université de Drexel, a découvert qu’une fine couche de MXene – un type de nanomatériau bidimensionnel découvert et étudié à Drexel depuis plus d’une décennie – pouvait améliorer la capacité d’un matériau à piéger ou à évacuer la chaleur. Cette découverte, qui est liée à la capacité du MXène à réguler le passage du rayonnement infrarouge ambiant, pourrait conduire à des avancées dans le domaine des vêtements thermiques, des éléments chauffants et des 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 chercheurs en informatique de l’université de Pennsylvanie, a récemment exposé sa découverte sur les capacités de chauffage et de refroidissement radiatif associées au MXène dans un article intitulé « Versatility of infrared properties of MXene » (Polyvalence des propriétés infrarouges du MXène) publié dans la revue d’Elsevier Materials Today.
« Cette recherche révèle une nouvelle facette de la polyvalence des matériaux MXene« , a déclaré Yury Gogotsi, PhD, professeur distingué de l’université et titulaire de la chaire Bach au collège d’ingénierie de Drexel, qui était l’un des chefs de file de la recherche. « Les revêtements en MXène qui possèdent des capacités exceptionnelles pour contenir ou émettre des radiations infrarouges, tout en restant extrêmement fins – 200 à 300 fois plus fins qu’un cheveu humain – légers et flexibles, pourraient trouver des applications à la fois dans la gestion thermique localisée et dans les systèmes de chauffage et de refroidissement radiatifs à grande échelle. Le chauffage et le refroidissement par infrarouge passif présentent des avantages significatifs par rapport aux systèmes actifs traditionnels, qui nécessitent une alimentation électrique pour fonctionner« .
Les MXènes 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 structure bidimensionnelle – se sont progressivement révélés exceptionnels pour conduire l’électricité, stocker l’énergie électrique, filtrer les composés chimiques et bloquer les rayonnements électromagnétiques, entre autres capacités. Au fil des ans, les spécialistes des matériaux ont produit et étudié en profondeur des MXènes de compositions chimiques variées, ce qui a permis de découvrir de nombreuses applications.
Dans son récent article, l’équipe a mesuré la capacité de dix compositions différentes de MXène à faciliter ou à entraver le passage du rayonnement infrarouge – une mesure appelée « émissivité » – qui est en corrélation avec leur capacité à capturer ou à dissiper passivement la chaleur ambiante.
Nous savions, grâce à des recherches antérieures, que les MXènes sont tout à fait capables de réfléchir ou d’absorber les ondes radio et les micro-ondes. L’étape suivante consistait donc à étudier leur interaction avec le rayonnement infrarouge, dont la longueur d’onde est beaucoup plus courte », explique Danzhen Zhang, cochercheur dans le laboratoire de M. Gogotsi et coauteur de l’article. « L’avantage de pouvoir contrôler le passage du rayonnement infrarouge est que nous pouvons utiliser ce type 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 pouvaient faire les deux, en fonction de leur composition élémentaire et du nombre de couches atomiques« .
Par rapport aux matériaux de refroidissement passif 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 MXène peuvent faire encore mieux, selon Tetiana Hryhorchuk, chercheuse doctorale dans le laboratoire de Gogotsi, et co-auteur de la recherche, car ces textiles enduits ont la capacité supplémentaire de réfléchir le rayonnement infrarouge externe, pour éviter le réchauffement dû à la lumière du soleil, tout en laissant passer le rayonnement infrarouge, émis par le corps.
Les chercheurs ont constaté que les MXènes en carbure de niobium pouvaient dissiper efficacement la chaleur, tandis que le carbure de titane présentait un bouclier thermique exceptionnel, sa température ne s’élevant qu’à 43 degrés Celsius après avoir été chauffée pendant cinq minutes sur une plaque chauffante à 110 degrés.
« Une émissivité élevée comme celle du carbure de niobium est également possible dans les matériaux diélectriques« , a déclaré M. Gogotsi. « Cependant, les MXènes combinent cette capacité avec la conductivité électrique, ce qui signifie que ces MXènes peuvent également être utilisés comme des éléments chauffants électriques actifs avec une alimentation externe. »
Un revêtement de carbure de titane MXene s’est avéré renforcer les matériaux contre la pénétration et l’émission de rayons infrarouges. Lors des essais, les matériaux revêtus de MXene, même avec une fine couche, ont mieux protégé le rayonnement infrarouge que les métaux polis, qui sont actuellement les matériaux commerciaux les plus performants. Cela signifie que les MXènes pourraient être intégrés dans des vêtements légers qui gardent le porteur au chaud dans des environnements extrêmes.
Pour le tester, l’équipe a teint un tee-shirt en coton avec une solution de carbure de titane MXene et a utilisé une caméra thermique infrarouge pour surveiller la température d’une personne portant le tee-shirt. Les résultats ont montré que le t-shirt enduit de MXene maintenait son porteur à une température inférieure de 10 à 15 degrés Celsius (environ la température ambiante) à celle d’une personne portant un t-shirt normal.
Ces résultats suggèrent que les vêtements enduits de MXene sont efficaces pour maintenir la température corporelle, tout en offrant l’avantage d’être appliqués par un processus d’enduction par immersion comparativement plus simple que celui requis pour la plupart des vêtements thermiques.
« Les vêtements thermiques commerciaux utilisent des fibres polymères très fines à faible conductivité thermique – la laine polaire, par exemple« , explique Lingyi Bi, chercheur doctorant dans le laboratoire de Gogotsi, spécialisé dans les textiles. « Elles nous gardent au chaud en minimisant le transfert de chaleur à travers le tissu et, pour ce faire, elles doivent être très épaisses. Mais le MXène nous garde au chaud principalement en empêchant la chaleur corporelle de s’échapper sous forme de rayonnement infrarouge. Par conséquent, un revêtement de MXene plus fin que la soie pourrait fournir un réchauffement efficace. C’est le même principe qui est utilisé dans les couvertures thermiques en Mylar que les coureurs reçoivent après une course par temps froid« .
Gogotsi suggère que la capacité de blocage des IR pourrait également être utilisée pour camoufler les personnes et les équipements des dispositifs de détection thermique, ou pour transmettre secrètement des informations par le biais de codes d’identification par radiofréquence visibles uniquement par les lecteurs infrarouges.
L’équipe prévoit de poursuivre l’étude des mécanismes qui sous-tendent le comportement de blocage et d’émission d’IR du MXène, ainsi que de tester des MXènes de compositions chimiques différentes afin d’optimiser leur potentiel en tant que matériaux de chauffage et de refroidissement radiatif.
Légende illustration : Des chercheurs de l’université de Drexel ont mis au point un nanomatériau bidimensionnel en couches, appelé MXene, qui peut être appliqué en couche mince et exploiter le rayonnement infrarouge à des fins de chauffage et de refroidissement passifs.
Crédit image / Drexel University
