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Apr 10, 2024

Thermolack – MXene-Sprühbeschichtung kann Infrarotstrahlung zum Heizen oder Kühlen nutzen

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung der Drexel University hat herausgefunden, dass eine dünne Beschichtung aus MXene – einer Art zweidimensionalem Nanomaterial, das in Drexel mehr als ein Jahrzehnt lang entdeckt und untersucht wurde

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung der Drexel University hat herausgefunden, dass eine dünne Beschichtung aus MXene – einer Art zweidimensionalem Nanomaterial, das mehr als ein Jahrzehnt lang in Drexel entdeckt und untersucht wurde – die Fähigkeit eines Materials verbessern könnte, Wärme einzufangen oder abzugeben. Die Entdeckung, die mit der Fähigkeit von MXene zusammenhängt, den Durchgang der Umgebungsinfrarotstrahlung zu regulieren, könnte zu Fortschritten bei Thermokleidung, Heizelementen und neuen Materialien für Strahlungsheizung und -kühlung führen.

Die Gruppe, bestehend aus Materialwissenschaftlern und Optoelektronik-Forschern von Drexel und Computerwissenschaftlern der University of Pennsylvania, hat kürzlich ihre Entdeckung zu den Strahlungsheiz- und -kühlfähigkeiten von MXene in einem Artikel mit dem Titel „Vielseitigkeit der Infraroteigenschaften von MXene“ im Elsevier dargelegt Zeitschrift Materials Today.

„Diese Forschung offenbart einen weiteren Aspekt der Vielseitigkeit von MXene-Materialien“, sagte Yury Gogotsi, PhD, Distinguished University und Bach-Professor am Drexel College of Engineering, der die Forschung leitete. „MXene-Beschichtungen verfügen über die außergewöhnliche Fähigkeit, Infrarotstrahlung einzudämmen oder zu emittieren und dabei extrem dünn zu bleiben – 200–300 Mal dünner als ein menschliches Haar –, leicht und flexibel, könnten sowohl im lokalen Wärmemanagement als auch in großflächigen Strahlungsheiz- und -kühlsystemen Anwendung finden. Die passive Infrarotheizung und -kühlung bietet erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen aktiven Infrarotheizungen, für deren Funktion elektrische Energie erforderlich ist.“

MXene sind eine Familie zweidimensionaler Nanomaterialien, die ursprünglich 2011 von Drexel-Forschern entdeckt wurden und sich aufgrund ihrer Zusammensetzung und zweidimensionalen Struktur nach und nach als außergewöhnlich gut für die Leitung von Elektrizität, die Speicherung elektrischer Energie, die Filterung chemischer Verbindungen und die Blockierung elektromagnetischer Strahlung erwiesen haben , unter anderem. Im Laufe der Jahre haben Materialwissenschaftler MXene mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen hergestellt und umfassend untersucht, was zur Entdeckung zahlreicher Anwendungen führte.

In ihrer aktuellen Arbeit hat das Team die Fähigkeit von 10 verschiedenen MXene-Zusammensetzungen gemessen, den Durchgang von Infrarotstrahlung zu unterstützen oder zu behindern – ein Maß namens „Emissivität“ –, das mit ihrer Fähigkeit korreliert, Umgebungswärme passiv einzufangen oder abzuleiten.

„Wir wussten aus früheren Forschungen, dass MXene mehr als fähig sind, Radiowellen und Mikrowellenstrahlung zu reflektieren oder zu absorbieren, daher war die Untersuchung ihrer Wechselwirkung mit Infrarotstrahlung, die eine viel kürzere Wellenlänge hat, der nächste Schritt“, sagte Danzhen Zhang, ein Doktorand Forscher in Gogotsis Labor und Co-Autor des Artikels. „Der Vorteil der Möglichkeit, den Durchgang von Infrarotstrahlung zu kontrollieren, besteht darin, dass wir diese Art von Strahlung zur passiven Erwärmung – wenn wir sie eindämmen können – oder zur passiven Kühlung – wenn wir sie ableiten können – nutzen können. Die von uns getesteten MXene haben gezeigt, dass sie je nach Elementzusammensetzung und Anzahl der Atomschichten beides können.“

Im Vergleich zu den heute auf dem Markt erhältlichen passiven Kühlmaterialien, die die thermische Infrarotstrahlung des Körpers – Körperwärme – durch ihre leichte und poröse Textilzusammensetzung entweichen lassen, können mit MXene beschichtete Textilien laut Tetiana Hryhorchuk sogar noch bessere Ergebnisse erzielen. ein Doktorand in Gogotsis Labor und Mitautor der Forschung, weil diese beschichteten Textilien zusätzlich die Fähigkeit haben, externe Infrarotstrahlung zu reflektieren, um eine Erwärmung durch Sonnenlicht zu vermeiden, gleichzeitig aber auch die vom Körper abgegebene Infrarotstrahlung passieren zu lassen.

Die Forscher fanden heraus, dass Niobkarbid-MXene Wärme effektiv ableiten konnten, während Titankarbid eine außergewöhnliche Hitzeabschirmung aufwies, wobei seine Temperatur nach fünfminütigem Erhitzen auf einer 110-Grad-Heizplatte nur auf 43 Grad Celsius anstieg.

„Ein hoher Emissionsgrad wie bei Niobkarbid ist auch in dielektrischen Materialien möglich“, sagte Gogotsi. „MXenes kombinieren diese Fähigkeit jedoch mit elektrischer Leitfähigkeit, was bedeutet, dass diese MXenes auch als aktive elektrische Heizelemente mit externer Stromzufuhr verwendet werden können.“

Es wurde festgestellt, dass eine Beschichtung aus Titankarbid MXene Materialien gegen das Eindringen und Ausstrahlen von Infrarotstrahlung stärkt. In Tests schnitten die MXene-beschichteten Materialien selbst mit einer dünnen Beschichtung bei der Abschirmung von Infrarotstrahlung besser ab als polierte Metalle, die derzeit die leistungsstärksten kommerziellen Materialien sind. Dies bedeutet, dass MXenes in leichte Kleidung integriert werden könnte, die den Träger in extremen Umgebungen warm hält.

Um es zu testen, färbte das Team ein Baumwoll-T-Shirt mit einer Titancarbid-MXene-Lösung und überwachte mit einer Infrarot-Wärmekamera die Temperatur einer Person, die es trug. Die Ergebnisse zeigten, dass das MXene-beschichtete Hemd seinen Träger etwa 10 bis 15 Grad Celsius kühler hielt – etwa Raumtemperatur – als eine Person, die ein normales T-Shirt trug.

Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass mit MXene beschichtete Kleidungsstücke die Körpertemperatur wirksam aufrechterhalten und gleichzeitig den Vorteil bieten, dass sie über ein vergleichsweise einfacheres Tauchbeschichtungsverfahren aufgetragen werden können, als dies bei den meisten Thermokleidungsstücken erforderlich ist.

„Kommerzielle Thermokleidung verwendet sehr dünne Polymerfasern mit geringer Wärmeleitfähigkeit – zum Beispiel Fleece“, sagte Lingyi Bi, ein Doktorand in Gogotsis Labor und Experte für Textilien. „Sie halten uns warm, indem sie die Wärmeübertragung durch den Stoff minimieren. Um dies effektiv zu tun, müssen sie sehr dick sein. Aber MXene hält uns vor allem warm, indem es verhindert, dass die Körperwärme als Infrarotstrahlung entweicht. Daher könnte eine MXene-Beschichtung, die dünner als Seide ist, für eine wirksame Erwärmung sorgen. Dies ist das gleiche Prinzip, das bei Mylar-Wärmedecken verwendet wird, die Läufer nach einem Rennen bei kaltem Wetter erhalten.“

Gogotsi schlägt vor, dass die IR-Blockierungsfunktion auch zur Tarnung von Personen und Geräten vor thermischen Erkennungsgeräten oder zur verdeckten Übertragung von Informationen über Radiofrequenz-Identifikationscodes, die nur für Infrarot-Lesegeräte sichtbar sind, genutzt werden könnte.

Das Team plant, die Mechanismen, die dem IR-Blockierungs- und Emissionsverhalten von MXene zugrunde liegen, weiter zu untersuchen und MXene mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen zu testen, um ihr Potenzial als Materialien zur Strahlungsheizung und -kühlung zu optimieren.

Neben Gogotsi, Danzhen Zhang, Akash Singh, Tetiana Hryhorchuk, Christopher Eugene Shuck, Teng Zhang, Lingyi Bi und Bernard McBride von Drexel; Vivek B. Shenoy von der University of Pennsylvania und Meikang Han, derzeit an der Fudan University, haben zu dieser Forschung beigetragen.

Lesen Sie den vollständigen Artikel hier: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702123000445?via%3Dihub

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