Peinture thermique : le revêtement par pulvérisation MXene peut exploiter le rayonnement infrarouge pour le chauffage ou le refroidissement

May 30, 2023

30 mars 2023

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par l'Université Drexel

Une équipe internationale de chercheurs, dirigée par l'Université Drexel, a découvert qu'une fine couche de MXene - un type de nanomatériau bidimensionnel découvert et étudié à Drexel pendant plus d'une décennie - pourrait améliorer la capacité d'un matériau à piéger ou à évacuer la chaleur. La découverte, qui est liée à la capacité de MXene à réguler le passage du rayonnement infrarouge ambiant, pourrait conduire à des avancées dans les vêtements thermiques, les éléments chauffants et de 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 informaticiens de l'Université de Pennsylvanie, a récemment exposé sa découverte sur les capacités de chauffage et de refroidissement radiatifs associées au MXene dans un article intitulé "Versatility of infrarouge properties of MXene" dans Materials Today. .

« Cette recherche révèle une autre facette de la polyvalence des matériaux MXene », a déclaré Yury Gogotsi, Ph.D., université distinguée et professeur titulaire de la chaire Bach au Drexel's College of Engineering, qui était l'un des chefs de file de la recherche.

"Les revêtements MXene possédant des capacités exceptionnelles pour contenir ou émettre un rayonnement infrarouge, tout en restant extrêmement minces - 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 infrarouges passifs présentent des avantages significatifs par rapport aux systèmes actifs traditionnels, qui nécessitent une alimentation électrique pour fonctionner."

Les MXenes 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 le rayonnement électromagnétique. , entre autres capacités. Au fil des ans, les scientifiques des matériaux ont produit et étudié de manière approfondie des MXènes avec diverses compositions chimiques, ce qui a abouti à la découverte de nombreuses applications.

Dans leur récent article, l'équipe a mesuré la capacité de 10 compositions différentes de MXène à aider ou à entraver le passage du rayonnement infrarouge - une mesure appelée "émissivité" - qui est en corrélation avec leur capacité à capter ou à dissiper passivement la chaleur ambiante.

"Nous savions, grâce à des recherches antérieures, que les MXenes sont plus que capables de réfléchir ou d'absorber les ondes radio et le rayonnement micro-ondes, donc examiner leur interaction avec le rayonnement infrarouge, qui a une longueur d'onde beaucoup plus courte, était la prochaine étape", a déclaré Danzhen Zhang, un co -chercheur doctorant dans le laboratoire de Gogotsi et co-auteur 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 peuvent faites les deux, en fonction de leur composition élémentaire et du nombre de couches atomiques."

Par rapport aux matériaux de refroidissement passifs 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 MXene peuvent faire encore mieux, selon Tetiana Hryhorchuk, un chercheur doctorant 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 l'échauffement du soleil, tout en laissant passer le rayonnement infrarouge, émis par le corps.

Les chercheurs ont découvert que le carbure de niobium MXenes pouvait efficacement dissiper la chaleur tandis que le carbure de titane présentait une protection thermique exceptionnelle, sa température n'atteignant que 43 degrés Celsius après avoir été chauffé pendant cinq minutes sur une plaque chauffante à 110 degrés.

"Une émissivité élevée comme dans le carbure de niobium est également possible dans les matériaux diélectriques", a déclaré Gogotsi. "Cependant, les MXenes combinent cette capacité avec la conductivité électrique, ce qui signifie que ces MXenes peuvent également être utilisés comme éléments chauffants électriques actifs avec l'alimentation externe."

Un revêtement de carbure de titane MXene s'est avéré renforcer les matériaux contre la pénétration et l'émission de rayonnement infrarouge. Lors des tests, les matériaux revêtus de MXene, même avec un revêtement mince, ont mieux résisté au rayonnement infrarouge que les métaux polis, qui sont actuellement les matériaux commerciaux les plus performants. Cela signifie que les MXenes pourraient être intégrés dans des vêtements légers qui maintiennent le porteur au chaud dans des environnements extrêmes.

Pour le tester, l'équipe a teint un t-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 qui le porte. Les résultats ont montré que la chemise enduite de MXene gardait son porteur à environ 10 à 15 degrés Celsius plus frais (environ la température ambiante) qu'une personne portant un tee-shirt normal.

Ces résultats suggèrent que les vêtements enduits de MXene sont efficaces pour maintenir la température corporelle, tout en offrant également l'avantage d'être appliqués via un processus de revêtement par trempage relativement plus facile que la plupart des vêtements thermiques.

"Les vêtements thermiques commerciaux utilisent des fibres polymères très fines à faible conductivité thermique, du molleton, par exemple", a déclaré Lingyi Bi, doctorant au laboratoire de Gogotsi, spécialisé dans les textiles. "Ils nous gardent au chaud en minimisant le transfert de chaleur à travers le tissu, pour le faire efficacement, ils doivent être très épais. Mais MXene nous garde principalement au chaud en empêchant la fuite de la chaleur corporelle sous forme de rayonnement infrarouge. Par conséquent, un revêtement MXene plus fin que la soie pourrait fournir un réchauffement efficace. C'est le même principe qui est utilisé dans les couvertures thermiques Mylar que les coureurs obtiennent après une course par temps froid.

Gogotsi suggère que la capacité de blocage des infrarouges pourrait également être utilisée pour camoufler les personnes et les équipements des dispositifs de détection thermique, ou pour transmettre secrètement des informations via des codes d'identification par radiofréquence visibles uniquement par les lecteurs infrarouges.

L'équipe prévoit de continuer à étudier les mécanismes sous-jacents au bloc IR et au comportement d'émission du MXene, ainsi qu'à tester les MXènes avec différentes compositions chimiques pour optimiser leur potentiel en tant que matériaux de chauffage et de refroidissement radiatifs.

Plus d'information: Polyvalence des propriétés infrarouges des MXenes, Materials Today (2023). DOI : 10.1016/j.mattod.2023.02.024

Informations sur la revue :Matériaux aujourd'hui

Fourni par l'Université Drexel