Découverte d’un nouveau matériau inorganique présentant la plus faible conductivité thermique jamais observée

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| Shutterstock/University of Liverpool

La progression rapide des technologies engendre une demande de matériaux toujours plus performants, notamment au niveau de la conductivité électrique pour de meilleures performances et une consommation énergétique moindre. Un autre facteur clé dans la conception de systèmes électroniques (ou mécaniques) performants est la conductivité thermique, dont la nécessité d’obtenir des matériaux à faible conductivité thermique permettant d’isoler au mieux les différents composants ou d’augmenter l’efficacité énergétique. Récemment, des chercheurs ont découvert un nouveau matériau inorganique présentant la plus faible conductivité thermique jamais mesurée.

Cette découverte ouvre la voie à des applications technologiques dans de nombreux domaines et permettra le développement matériaux thermoélectriques essentiels pour une société durable. L’équipe de recherche collaborative à son origine, dirigée par l’Université de Liverpool, présente ici une véritable percée dans le contrôle du flux thermique à l’échelle atomique.

Elle offre de nouvelles perspectives fondamentales sur la gestion de l’énergie. La nouvelle compréhension qui résulte de cette étude accélérera notamment le développement de nouveaux matériaux pour la conversion de la chaleur résiduelle en énergie et pour l’utilisation efficace des carburants. Les résultats ont été publiés dans la revue Science.

Le secret : la combinaison de deux arrangements différents d’atomes

L’équipe de recherche, dirigée par le professeur Matt Rosseinsky du département de chimie et de la Materials Innovation Factory de l’université de Liverpool et par le docteur Jon Alaria du département de physique et du Stephenson Institute for Renewable Energy, a conçu et synthétisé le nouveau matériau de manière à combiner deux arrangements différents d’atomes, dont ils ont constaté qu’ils ralentissaient chacun la vitesse à laquelle la chaleur se déplace dans la structure d’un solide.

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« Nous avons démontré que le contrôle chimique de la disposition spatiale d’interfaces distinctes peut modifier en synergie les modes vibrationnels pour minimiser la conductivité thermique », écrivent les chercheurs dans leur document. En effet, ils ont identifié les mécanismes responsables de la réduction du transport de chaleur dans chacun de ces deux arrangements en mesurant et en modélisant les conductivités thermiques de deux structures différentes, chacune contenant l’un des arrangements requis.

Il est difficile de combiner ces mécanismes dans un seul matériau, car il est pour cela nécessaire de contrôler exactement la manière dont les atomes y sont disposés. Intuitivement, les scientifiques s’attendraient à obtenir une moyenne des propriétés physiques des deux composants. En choisissant des interfaces chimiques favorables entre chacun de ces différents arrangements atomiques, l’équipe a synthétisé expérimentalement un matériau qui les combine tous les deux (représentés par les dalles jaunes et bleues dans l’image ci-dessous).

La plus faible conductivité thermique jamais rapportée pour un matériau inorganique

Ce nouveau matériau, avec deux arrangements combinés, a une conductivité thermique beaucoup plus faible que l’un ou l’autre des matériaux parents avec un seul arrangement. Ce résultat inattendu montre l’effet synergique du contrôle chimique des emplacements atomiques dans la structure, et explique pourquoi les propriétés de la structure entière sont supérieures à celles des deux parties individuelles.

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En utilisant la bonne structure chimique, il est possible de combiner deux arrangements atomiques différents (dalles jaunes et bleues) qui fournissent des mécanismes permettant de ralentir le mouvement de la chaleur à travers un solide. Cette stratégie fournit la plus faible conductivité thermique jamais rapportée pour un matériau inorganique. © University of Liverpool

Si l’on considère que la conductivité thermique de l’acier est de 1, celle d’une barre de titane est de 0,1, celle de l’eau et d’une brique de construction de 0,01, celle de ce nouveau matériau de 0,001 et celle de l’air de 0,0005, expliquent les chercheurs.

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Environ 70% de toute l’énergie produite dans le monde est gaspillée sous forme de chaleur. Les matériaux à faible conductivité thermique sont donc essentiels pour réduire et exploiter ce gaspillage. Le développement de nouveaux matériaux thermoélectriques plus efficaces, qui peuvent convertir la chaleur en électricité, est considéré comme une source clé d’énergie propre.

« Le matériau que nous avons découvert possède la plus faible conductivité thermique de tous les solides inorganiques et est presque aussi mauvais conducteur de chaleur que l’air lui-même », a déclaré le professeur Matt Rosseinsky. « Les implications de cette découverte sont importantes, tant pour la compréhension scientifique fondamentale que pour les applications pratiques dans les dispositifs thermoélectriques qui récupèrent la chaleur perdue et comme revêtement de barrière thermique pour des turbines à gaz plus efficaces ».

« La découverte passionnante de cette étude est qu’il est possible d’améliorer la propriété d’un matériau en utilisant des concepts de physique complémentaire et un interfaçage atomistique approprié. Au-delà du transport de la chaleur, cette stratégie pourrait être appliquée à d’autres propriétés physiques fondamentales importantes, telles que le magnétisme et la supraconductivité, ce qui permettrait de réduire la consommation d’énergie des ordinateurs et de transporter plus efficacement l’électricité », a déclaré le Dr Jon Alaria.

Source : Science

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