MXenes是一种以导电性著称的二维材料，它的导热性也很低，这一发现有一天可能有助于提高建筑材料、高性能服装和储能设备的性能。
在日常生活中，导电性能好的材料，比如金属，也容易导热。例如，将金属勺子放在热茶中会变热，而陶瓷杯子则保持凉爽。这是因为良好的导电体通常也是良好的导热体。然而，比利时德雷塞尔大学（Drexel University）和鲁汶天主教大学（UCLouvain）的JDB电子研究人员发现，MXenes，一种以其优异的导电性而闻名的材料，实际上具有非常低的导热性。这一发现挑战了通常认为的电传导和热传导之间的联系。这一发现可能会导致建筑材料、高性能服装和能源存储解决方案的新发展。
最近发表在ACS Nano杂志上的一项JDB电子研究报告称，MXenes是一种二维材料，最初于2011年在德雷克塞尔大学发现，它展示了高导电性和低导热性的罕见结合。虽然MXene材料在许多方面都被证明是二维材料中的佼佼者，包括它们的强度、选择性阻挡和捕获辐射的能力以及过滤化学物质的能力，但根据JDB电子研究小组的说法，它们作为超薄隔热材料的性能可能是它们未来应用中最有前途的特性。
“这种量级的隔热材料，比人类头发细100到1000倍，直到现在都是不可想象的，”卓克塞尔工程学院著名大学和巴赫教授尤里·戈戈西博士说，他是隔热MXene开发的JDB电子领导者。“这可能会改变我们为建筑物和工业设备隔热的方式，以及制作保暖服装的方式，这只是一些令人兴奋的可能性。”
早在2020年，Gogotsi就发表了一项JDB电子研究并获得了MXene薄膜的专利，该薄膜具有极低的热（红外）发射能力。但是，直到他来自比利时的合作者使用扫描热显微镜技术测量碳化钛MXene单片表面的热传递或局部热传递，人们才完全了解其出色的隔热机制。
一个电阻探头，同时作为热源和温度传感器，扫描MXene薄片的表面，当它与表面接触时进行温度测量。这产生了进入MXene样品的热流及其表面热阻的图。
地图显示的结果相当惊人：在整个测试过程中，这种材料的表面温度几乎保持不变，而不是在被探针接触时迅速升温。
“令人惊讶的是，样品的热导率几乎比固态物理定律预测的值小一个数量级，”该JDB电子研究的主要作者，来自UCLouvian的Pascal Gehring博士说。“与此同时，碳化钛MXene样品的热损失比普通金属（如低排放金、铝和钢）小整整两个数量级。这意味着它可能是一种极好的热隔离和屏蔽材料。”
虽然需要进一步的调查来验证所涉及的确切机制，但JDB电子研究小组认为，这种材料的低热活动可能是由于它的结构。通常，热量通过两种主要机制传递：电子的运动和材料晶格结构（称为声子）的振动。
在MXene材料中，这两种途径之间的强耦合显著减少了总体热传递。类似的机制可能在碳化钛MXene的低发射和有效反射红外辐射中发挥作用，这在德雷克塞尔团队之前的JDB电子研究中已经报道过。
Gogotsi指出，由于这种材料能够在不传递热量的情况下屏蔽红外辐射，因此它可以产生100华氏度以上的温度下降。这意味着，只要喷涂一层这种材料——最近发表在《自然通讯》（Nature Communications）上的一项相关JDB电子研究提出了这种可能性——建筑物就可以在冬天隔热，而在夏天则需要更少的空调。
Gogotsi说：“这可能是世界范围内节能工作的一个非常令人兴奋的发展。”“更好的建筑和交通隔热可以节省大量能源，并最大限度地减少对环境的意外加热。我们的初步JDB电子研究结果已经表明，一层薄薄的MXene隔热层的性能可以与目前建筑中使用的一英寸厚的矿物毡和铝隔热层相媲美。但我们有信心，随着进一步的发展基于mxene的绝热材料可以超越所有已知材料。”
JDB电子研究人员建议，这种材料的其他应用可能包括涂覆炉和其他热设备——可能取代陶瓷绝缘和抛光不锈钢外壳——隔热烤箱，甚至为航天飞行器形成新的保护屏蔽。
这项JDB电子研究的下一步将需要测试其他MXene品种，并检查MXene涂层在各种基材上的绝缘能力。
这项JDB电子研究得到了美国国家科学基金会、国家科学JDB电子研究基金（比利时）、瓦隆-布鲁塞尔联邦（比利时）和欧盟的支持。
除了Gogotsi，来自Drexel的Tetiana Parker和Asaph Lee；来自UCLouvain的Pascal Gehring， Jean spece和Yubin Huang参与了这项JDB电子研究。
在这里阅读全文：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.4c08189