Учёные Университета штата Северная Каролина сообщают об открытии плотно́й непористой плёнки, совместившей крайне низкую теплопроводность с высокой механической жёсткостью. По словам авторами, такие свойства обычно несовместимы, и полученный материал приближается к теоретическому пределу теплоизоляционных характеристик. В пресс-релизе подчёркивается, что речь идёт о твёрдой, плотной пленке, а не о пористых системах, где теплоизоляторы достигают низкой теплопроводности за счёт воздуха в порах.

По данным исследования, теплопроводность новой плёнки составляет примерно 0,04 Вт/(м·К) при комнатной температуре — показатель близок к теоретическому пределу для плотных твёрдых материалов и значительно ниже традиционных изоляционных материалов. Одновременно модуль упругости плёнки достигает 7,7 ГПа, что существенно выше характеристик большинства полимеров, пен и аэрогелей, обычно применяемых для снижения теплопроводности.

Как объясняют авторы, уникальные свойства достигаются за счёт молекулярного проектирования структуры перовскита: в основе материала лежит тонкая чередование органических и неорганических слоёв с упорядоченной кристаллической решёткой. Часть углеродных цепочек органического слоя была заменена специально подобранными бензольными фрагментами, после чего изменилась как жёсткость кристаллической решётки, так и перенос тепла через неё. Авторы отмечают, что при этом подавление фононного переноса достигается за счёт новой конфигурации слоев, в которой механическая нагрузка передаётся по жёсткой структуре, а тепловые колебания распространяются хуже.

Практическая часть проекта заключается в методе получения пленки: её формируют путём проката и нанесения раствора с последующим формированием тонкого слоя на вращающейся подложке. Такой подход, как заявляют исследователи, относительно прост в масштабе и позволяет использовать материал в виде тонкого теплоизоляционного покрытия. Потенциальные применения перечислены такие: электронные устройства, теплоизоляционные покрытия, а также техника авиа- и космонавтики, где существующие мягкие теплоизоляторы не обеспечивают нужную механическую прочность.

Авторы подчёркивают, что речь идёт о не пористом твёрдом материале, не аэрогеле и не пене, где низкая теплопроводность достигается за счёт объёма воздуха. По оценкам, новая плёнка примерно в пять раз эффективнее силиконовых теплоизоляторов (у силикона примерно 0,2 Вт/(м·К)) и при этом в 700–10 000 раз жёстче силиконовых аналогов. Эти данные дают основание рассуждать о широком спектре применений, где требуются как тепло- и механическая надёжность.

Получившиеся результаты и технология нанесения пленки обещают масштабируемость и практическую доступность, что может оказаться ключевым фактором для внедрения в электронику и в индустрию материалов. В материалах указывается, что новое изобретение не только снижает теплопередачу, но и сохраняет прочность, что редко сочетается в аналогичных системах.