Rigidité et isolation thermique : une combinaison enfin possible ?

Des chercheurs ont récemment démontré la possibilité d’ingénier des matériaux à la fois rigides et capables d’isoler thermiquement. Cette combinaison de propriétés, rare et précieuse, ouvre la voie à de nombreuses applications, notamment dans le développement de nouveaux revêtements d’isolation thermique pour les dispositifs électroniques.

Les chercheurs ont réussi à créer des matériaux qui allient rigidité et isolation thermique. Cette combinaison de propriétés est extrêmement rare et pourrait être utilisée dans divers domaines, comme la création de revêtements d’isolation thermique pour protéger les appareils électroniques des températures élevées.

Jun Liu, co-auteur correspondant de l’étude et professeur associé en ingénierie mécanique et aérospatiale à l’Université d’État de Caroline du Nord, explique : « Les matériaux ayant un module élastique élevé tendent également à être très conducteurs thermiquement, et vice versa. En d’autres termes, si un matériau est rigide, il conduit bien la chaleur. Et si un matériau n’est pas rigide, il est généralement bon pour isoler contre la chaleur. »

Des matériaux rigides et isolants : un défi historique

Historiquement, il a été difficile de créer des matériaux qui soient à la fois rigides et de bons isolants thermiques. Cependant, les chercheurs ont maintenant découvert une gamme de matériaux qui répondent à ces deux critères. De plus, ils peuvent ajuster ces matériaux pour contrôler leur rigidité et leur conductivité thermique.

Wei You, co-auteur correspondant de l’étude et professeur de chimie et de sciences physiques appliquées à l’Université de Caroline du Nord à Chapel Hill, précise : « Ces matériaux sont des films minces constitués de couches organiques et inorganiques alternées dans une structure cristalline hautement ordonnée. Et nous pouvons ajuster la composition de la couche inorganique ou organique. »

Le rôle crucial des anneaux de benzène

Qing Tu, co-auteur correspondant de l’étude et professeur adjoint en science et ingénierie des matériaux à l’Université Texas A&M, ajoute : « Nous avons découvert que nous pouvons contrôler le module élastique et la conductivité thermique de certains 2D HOIP en remplaçant certaines chaînes de carbone-carbone dans les couches organiques par des anneaux de benzène. En gros, plus nous ajoutons d’anneaux de benzène, plus le matériau devient rigide et meilleur est son pouvoir isolant. »

Les expériences ont révélé au moins trois matériaux distincts de 2D HOIP qui deviennent moins conducteurs thermiquement à mesure qu’ils deviennent plus rigides. Cette découverte ouvre de nouvelles perspectives pour l’ingénierie des matériaux avec des combinaisons de propriétés souhaitables.

Optimisation des caractéristiques des matériaux

Les chercheurs ont également découvert un phénomène intéressant avec les matériaux 2D HOIP. En introduisant de la chiralité dans les couches organiques, c’est-à-dire en rendant les chaînes de carbone asymétriques, ils ont pu maintenir la même rigidité et conductivité thermique tout en apportant des modifications substantielles à la composition des couches organiques.

Jun Liu conclut : « Cela soulève des questions intéressantes sur la possibilité d’optimiser d’autres caractéristiques de ces matériaux sans avoir à se soucier de l’influence de ces changements sur la rigidité ou la conductivité thermique du matériau. »

Légende illustration : Crédit Jun Liu

Article : « Anomalous correlation between thermal conductivity and elastic modulus in two-dimensional hybrid metal halide perovskites » – DOI: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.3c12172