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Mar 12, 2024

Vernice termica: il rivestimento spray MXene può sfruttare la radiazione infrarossa per il riscaldamento o il raffreddamento

Un team internazionale di ricercatori, guidato dalla Drexel University, ha scoperto che un sottile rivestimento di MXene, un tipo di nanomateriale bidimensionale scoperto e studiato a Drexel per più di un decennio

Un team internazionale di ricercatori, guidato dalla Drexel University, ha scoperto che un sottile rivestimento di MXene – un tipo di nanomateriale bidimensionale scoperto e studiato a Drexel per più di un decennio – potrebbe migliorare la capacità di un materiale di intrappolare o rilasciare calore. La scoperta, legata alla capacità di MXene di regolare il passaggio della radiazione infrarossa ambientale, potrebbe portare a progressi nell'abbigliamento termico, negli elementi riscaldanti e in nuovi materiali per il riscaldamento e il raffreddamento radiativo.

Il gruppo, che comprende ricercatori di scienza dei materiali e optoelettronica di Drexel e scienziati computazionali dell'Università della Pennsylvania, ha recentemente presentato la sua scoperta sulle capacità di riscaldamento e raffreddamento radiativo associate a MXene in un articolo intitolato "Versatilità delle proprietà infrarosse di MXene" nell'Elsevier rivista Materiali Oggi.

"Questa ricerca rivela ancora un altro aspetto della versatilità dei materiali MXene", ha affermato Yury Gogotsi, PhD, Distinguished University e professore con cattedra Bach presso il Drexel's College of Engineering, che è stato a capo della ricerca. “I rivestimenti MXene che possiedono eccezionali capacità di contenere o emettere radiazioni infrarosse, pur rimanendo estremamente sottili – 200-300 volte più sottili di un capello umano – leggeri e flessibili, potrebbero trovare applicazioni sia nella gestione termica localizzata che nei sistemi di riscaldamento e raffreddamento radiativi su larga scala. Ci sono vantaggi significativi con il riscaldamento e il raffreddamento a infrarossi passivi rispetto a quelli attivi tradizionali, che richiedono energia elettrica per funzionare”.

Gli MXene sono una famiglia di nanomateriali bidimensionali originariamente scoperti dai ricercatori Drexel nel 2011, che, a causa della loro composizione e struttura bidimensionale, hanno progressivamente dimostrato di essere eccezionali nel condurre elettricità, immagazzinare energia elettrica, filtrare composti chimici e bloccare le radiazioni elettromagnetiche , tra le altre capacità. Nel corso degli anni, gli scienziati dei materiali hanno prodotto e studiato approfonditamente gli MXeni con varie composizioni chimiche, portando alla scoperta di numerose applicazioni.

Nel loro recente articolo, il team ha misurato la capacità di 10 diverse composizioni di MXene di aiutare o ostacolare il passaggio della radiazione infrarossa – una misura chiamata “emissività” – che è correlata alla loro capacità di catturare o dissipare passivamente il calore ambientale.

"Sapevamo da ricerche precedenti che gli MXene sono più che capaci di riflettere o assorbire le onde radio e le radiazioni a microonde, quindi il passo successivo è stato osservare la loro interazione con la radiazione infrarossa, che ha una lunghezza d'onda molto più corta", ha affermato Danzhen Zhang, dottorando ricercatore nel laboratorio di Gogotsi e coautore dell'articolo. “Il vantaggio di poter controllare il passaggio della radiazione infrarossa è che possiamo utilizzare questo tipo di radiazione per il riscaldamento passivo – se riusciamo a contenerlo – o per il raffreddamento passivo – se riusciamo a dissiparlo. Gli MXeni che abbiamo testato hanno dimostrato che possono fare entrambe le cose, a seconda della loro composizione elementare e del numero di strati atomici”.

Rispetto ai materiali di raffreddamento passivi disponibili oggi sul mercato, che consentono alla radiazione termica infrarossa del corpo (il calore corporeo) di fuoriuscire attraverso la sua composizione tessile leggera e porosa, i tessuti rivestiti con MXene possono fare ancora meglio, secondo Tetiana Hryhorchuk, un ricercatore di dottorato nel laboratorio di Gogotsi e coautore della ricerca, perché questi tessuti rivestiti hanno la capacità aggiuntiva di riflettere la radiazione infrarossa esterna, per evitare il riscaldamento della luce solare, consentendo anche il passaggio della radiazione infrarossa emessa dal corpo.

I ricercatori hanno scoperto che il carburo di niobio MXenes poteva dissipare efficacemente il calore mentre il carburo di titanio mostrava un’eccezionale schermatura termica, con la sua temperatura che saliva solo fino a 43 gradi Celsius dopo essere stato riscaldato per cinque minuti su una piastra riscaldante a 110 gradi.

"Un'elevata emissività come nel carburo di niobio è possibile anche nei materiali dielettrici", ha affermato Gogotsi. “Tuttavia, gli MXene combinano questa capacità con la conduttività elettrica, il che significa che questi MXene possono essere utilizzati anche come elementi riscaldanti elettrici attivi con la fornitura di energia esterna”.