陈根：导热率最低的无机材料，助力废热转化为动力

陈根

知名科技作家为你解读科技与生活的方方面面。07-23 09:54

文/陈根

根据基础新材料按照化学成分的分类，无机非金属材料已经成为四大材料之一，其他三大材料则分别为金属材料、有机高分子材料以及复合材料。

其中，无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料。一般将其分为传统的（普通的）和新型的（先进的）无机非金属材料两大类。

先进（或新型）无机非金属材料是用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各种无机非金属化合物经特殊的先进工艺制成的材料，主要包括先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、无机涂层、无机纤维等。

无机非金属材料具有电导性、半导体性、光电性、压电性、铁电性、耐腐蚀、化学吸附性、吸气性、耐辐射性等许多功能特性。这类材料品种多，具有技术含量高、产品更新换代快、附加值高、经济效益明显的特点。基于此，无机材料的发展也备受科学家们的关注。

近日，由英国利物浦大学领导的一个合作研究小组称，他们发现了一种有史以来导热率最低的新无机材料。这一发现代表了材料设计在原子尺度上控制热流的新突破，这将促进废热转化为电能和有效利用燃料的新型热电材料的加速开发，为构建可持续发展社会找到新路。

要知道，原子有两种不同的排列结构，这种新材料结合了这两种结构。两结构中每种原子的排列方式都能减缓原子在固体结构中的热运动速度。研究人员通过测量和模拟两结构的导热率，确定了导致这两种结构中热传输减少的机制。

事实上，在一种材料中结合这些机制是很困难的，因为研究人员必须准确控制原子在其中的排列方式。直观地说，科学家们期望得到两个组成部分的物理特性的平均值。通过在这些不同的原子排列之间选择有利的化学界面，研究小组通过实验合成了一种将两者结合起来的材料。

通过实验，研究人员通过精准控制，将两种不同排列结构合并在一起形成了新材料，目的是得到这两种不同排列下原子成分的平均物理性质。结果显示，通过化学实验控制原子的位置后，这种具有两种组合排列的新材料产生了“1+1＞2”的协同效应，其热导率远低于只具有一种排列的母体材料的导热率。

研究人员表示，这一发现的意义重大，既有利于基础科学的理解，也有利于在收集废热的热电设备中的实际应用，以及作为更高效的燃气轮机的热障涂层。除了热传输之外，这种策略还可以应用于其他重要的基本物理特性，如磁性和超导性，从而实现更低的能量计算和更有效的电力传输。

其研究结果已发表在15日的《科学》杂志上。