Группа, включающая исследователей в области материаловедения и оптоэлектроники из Drexel и специалистов по вычислительной технике из Пенсильванского университета, недавно изложила свое открытие о возможностях радиационного нагрева и охлаждения, связанных с MXene, в статье под названием "Универсальность инфракрасных свойств MXene" в журнале Elsevier. Материалы на сегодняшний день.

"Это исследование раскрывает еще один аспект универсальности материалов MXene", - сказал Юрий Гогоци, доктор философии, заслуженный университет и профессор кафедры Баха в инженерном колледже Drexel, который был руководителем исследования. "Покрытия MXene, обладающие исключительной способностью задерживать или испускать инфракрасное излучение, оставаясь при этом чрезвычайно тонкими - в 200-300 раз тоньше человеческого волоса, - легкими и гибкими, могут найти применение как в локальном терморегулировании, так и в крупномасштабных системах радиационного нагрева и охлаждения. Пассивный инфракрасный обогрев и охлаждение обладают значительными преимуществами по сравнению с традиционными активными системами, для функционирования которых требуется электроэнергия."

MXenes - это семейство двумерных наноматериалов, первоначально открытых исследователями Drexel в 2011 году, которые - благодаря своему составу и двумерной структуре - постепенно доказали свою исключительную способность проводить электричество, накапливать электрическую энергию, фильтровать химические соединения и блокировать электромагнитное излучение, среди прочих возможностей. На протяжении многих лет ученые-материаловеды производили и широко исследовали МХЕНЫ с различным химическим составом, что привело к открытию многочисленных применений.

В своей недавней работе команда измерила способность 10 различных композиций MXene способствовать или препятствовать прохождению инфракрасного излучения - показатель, называемый "излучательной способностью", - который коррелирует с их способностью пассивно улавливать или рассеивать окружающее тепло.

"Из предыдущих исследований мы знали, что МХЕНЫ более чем способны отражать или поглощать радиоволны и микроволновое излучение, поэтому следующим шагом было изучение их взаимодействия с инфракрасным излучением, длина волны которого гораздо короче", - сказал Данчжэнь Чжан, соавтор исследования в лаборатории Гогоци и соавтор автор статьи. "Преимущество возможности контролировать прохождение инфракрасного излучения заключается в том, что мы можем использовать этот тип излучения для пассивного нагрева - если мы можем его сдерживать - или пассивного охлаждения - если мы можем его рассеивать. Протестированные нами МХЕНЫ показали, что они могут выполнять и то, и другое, в зависимости от их элементного состава и количества атомных слоев".

По словам Татьяны Григорчук, докторанта-исследователя лаборатории Гогоци, по сравнению с материалами пассивного охлаждения, доступными сегодня на рынке, которые позволяют тепловому инфракрасному излучению тела - теплу тела - уходить через свою легкую и пористую текстильную композицию, текстиль с покрытием MXene может работать еще лучше.- автор исследования, потому что эти текстильные изделия с покрытием обладают дополнительной способностью отражать внешнее инфракрасное излучение, предотвращая нагрев от солнечного света, а также позволяя проходить инфракрасному излучению, исходящему от тела.

Исследователи обнаружили, что мхены из карбида ниобия могут эффективно отводить тепло, в то время как карбид титана обладает исключительной теплозащитной способностью: его температура повышается всего до 43 градусов по Цельсию после пятиминутного нагрева на 110-градусной конфорке.

"Высокая излучательная способность, подобная карбиду ниобия, также возможна в диэлектрических материалах", - сказал Гогоци. "Однако MXenes сочетают эту способность с электропроводностью, что означает, что эти MXenes также могут использоваться в качестве активных электронагревательных элементов с подачей внешнего питания".

Было обнаружено, что покрытие из карбида титана MXene укрепляет материалы против проникновения и излучения инфракрасного излучения. В ходе испытаний материалы с покрытием MXene, даже с тонким покрытием, лучше защищали инфракрасное излучение, чем полированные металлы, которые в настоящее время являются наиболее эффективными коммерческими материалами. Это означает, что MXenes могут быть интегрированы в легкую одежду, которая сохраняет тепло в экстремальных условиях.

Чтобы протестировать это, команда покрасила хлопчатобумажную футболку раствором карбида титана MXene и использовала инфракрасную тепловизионную камеру для контроля температуры человека, носящего ее. Результаты показали, что рубашка с покрытием MXene сохраняет температуру своего владельца примерно на 10-15 градусов по Цельсию прохладнее - примерно при комнатной температуре - чем у человека, носящего обычную футболку.

Эти результаты свидетельствуют о том, что одежда с покрытием MXene эффективна в поддержании температуры тела, а также обладает преимуществом нанесения с помощью сравнительно более легкого процесса погружения, чем требуется для большинства видов термоодежды.

"В коммерческой термоодежде используются очень тонкие полимерные волокна с низкой теплопроводностью - например, флис", - говорит Линьи Би, докторант-исследователь из лаборатории Гогоци, специалист в области текстиля. "Они согревают нас, сводя к минимуму теплопередачу через ткань, чтобы делать это эффективно, они должны быть очень толстыми. Но MXene в первую очередь сохраняет нам тепло, предотвращая утечку тепла тела в виде инфракрасного излучения. Следовательно, покрытие MXene, более тонкое, чем шелк, могло бы обеспечить эффективное согревание. Это тот же принцип, который используется в майларовых термоодеялах, которые бегуны получают после забега в холодную погоду."

Гогоци предполагает, что возможность блокировки ИК-излучения также может быть использована для маскировки людей и оборудования от устройств теплового обнаружения или для скрытой передачи информации с помощью радиочастотных идентификационных кодов, видимых только инфракрасным считывателям.

Команда планирует продолжить изучение механизмов, лежащих в основе ИК-блока и излучающего поведения MXene, а также тестирование MXenes с различными химическими составами, чтобы оптимизировать их потенциал в качестве материалов для радиационного нагрева и охлаждения.