研究人员发现，MXenes是一种以其优越的电导性而闻名的独特材料，但实际上具有非常低的热导率。这一意外的发现与通常认为电导率高的材料也能有效导热的假设相悖。这个发现为建筑材料、高性能服装和能源存储技术等领域的激动人心的可能性打开了大门。
在我们的日常生活中，我们常常看到像金属这样的良好电导体通常也能很好地导热。例如，如果你把一根金属勺子放在热茶杯里，勺子就会变热，而陶瓷杯保持凉爽。这种现象发生的原因是优秀的电导体通常在热导率方面也表现出色。然而，来自德雷克塞尔大学和比利时鲁汶天主教大学(UCLouvain)的一个研究小组发现，MXenes展现出优异的电导性，但热导率却非常低。这个发现打破了对电导和热导关系的传统理解，可能导致建筑材料、性能服装和能源存储解决方案的进步。
在最近在期刊ACS Nano上发表的一项研究中，研究人员报告称，MXenes是一组于2011年在德雷克塞尔大学首次识别出的二维材料，显示出高电导性与低热导率的异常组合。这些材料在各种应用中已经显示出卓越的品质，例如它们的强度、选择性吸收和捕获辐射的能力以及过滤化学物质的能力。根据研究小组的说法，作为一种非常薄的热绝缘体，其潜力可能是未来用途中最令人兴奋的特征。
德雷克塞尔大学工程学院的杰出教授Yury Gogotsi博士解释说：“我们发现的热绝缘程度，厚度也仅为人类头发的100到1000倍，这在此之前似乎是不可想象的。可能会彻底改变我们为建筑和工业机械绝缘的方式，同时可能导致创新的保温服装等其他可能性。”
Gogotsi之前的工作已经导致了制造出MXene薄膜并在2020年申请专利，这些薄膜释放的热量（红外线）非常低。然而，它们优异的热绝缘性质的根本原因在他与比利时的合作者采用扫描热显微镜方法评估热传导——特别是单个钛碳化物MXene表面的局部热传导——之前仍不清楚。
研究小组使用一种既是热源又是温度传感器的电阻探针，扫描MXene薄片表面，并在接触时捕获温度读数。这提供了一幅详细的地图，展示了热量如何流入MXene样本及其表面的热阻。
结果让人震惊：在探针接触时，材料并没有迅速升温，而是整个实验中表面温度几乎保持不变。
UCLouvain的首席作者Pascal Gehring博士指出：“有趣的是，样本的热导率比固态物理学所预测的低近一个量级。此外，钛碳化物MXene样本的热量损失比低排放金、铝和钢等常见金属低两个量级。这表明它可能作为一个优秀的热绝缘和屏蔽材料。”
尽管还需要进一步的研究来全面理解其中的机制，研究人员相信，材料的低热活动可能源于其独特的结构。热量通常通过两种主要方式传输：电子运动和材料的晶格振动，称为声子。
在MXene材料中，这两条传输路径之间的强相互作用显著减少了整体热传导。这一机制可能同样解释了钛碳化物MXene的低排放水平和对红外辐射的有效反射，这是德雷克塞尔研究团队之前报告的一种特性。
Gogotsi指出，由于该材料能够屏蔽红外辐射，同时最小化热传导，它能够实现超过100华氏度的温度降低。这意味着该材料的简单喷涂应用——这一想法得到了在Nature Communications上发表的相关研究的支持——可以大大增强建筑在冬季的绝缘效果，并减少夏季对空调的需求。
Gogotsi补充道：“这一发展可能对全球能源节约倡议产生重大影响。建筑和交通工具的改进绝缘可以带来显著的节能，并有助于防止环境意外升温。我们的初步发现表明，薄涂层的MXene绝缘效果可与用于建筑中的一英寸厚铝绝缘矿物毡相媲美。随着继续发展，我们相信基于MXene的热绝缘材料可能会超越所有现有材料。”
根据研究人员的说法，这种材料的其他潜在应用包括涂覆烤箱和热设备——可能取代陶瓷绝缘和抛光不锈钢覆盖物——绝缘烤箱，以及制造新型航空航天车辆的保护屏障。
这项研究的下一步将涉及测试不同种类的MXene，并探索MXene涂层在各种表面上的绝缘能力。
