Высокий

23 мая 2022 г.

Университет науки и технологий имени короля Абдаллы

Объединение нескольких углеродных наноматериалов в одном веществе может дать удивительные свойства. Исследователи KAUST создали тонкие графитовые пленки, которые могут действовать как высокоэффективные гибкие нагревательные панели, температура которых при приложении небольшого напряжения достигает нескольких сотен градусов за секунды. Они также показали, что ключом к исключительным нагревательным характеристикам материала являются графеновые домены внутри графитовой пленки.

Будучи выдающимися теплопроводниками, графитовые углеродные наноматериалы все чаще используются для управления теплом, например, для отвода тепла от микрочипов. Те же материалы можно использовать и в качестве электронагревателей.

«Существует необходимость в разработке маломощных гибких нагревательных панелей, и наноуглероды являются ключевыми претендентами», — говорит Г. Деокар, постдок в лаборатории Педро Косты, который руководил работой. «Однако до сих пор их электротермические характеристики ограничены», — добавляет она. Нагревателям на основе наноуглерода обычно требуется входное напряжение 20–60 вольт для достижения целевой температуры 250 градусов Цельсия. Они также могут быстро разлагаться при нагревании на воздухе.

Коста, Деокар и их коллеги недавно разработали метод производства графитовых пленок нанотолщины (NGF) в масштабе пластины. Им также удалось легко перенести их на произвольные подложки без остатков, часто присутствующих в графеновых панелях. «Эти характеристики NGF побудили нас изучить их применение в технологиях управления температурным режимом», — говорит Деокар.

Когда команда поместила NGF на гибкие листы каптона и применила золотые электроды, оказалось, что эффективность их нагревателей намного превосходит ранее описанные наноуглеродные нагреватели. При подаче менее 8 вольт материал достиг целевой температуры в 300 градусов по Цельсию за считанные секунды. Охлаждение было столь же быстрым. «Мы также отметили выдающуюся стабильность и показали, что NGF можно использовать в качестве внешнего многоразового пластыря для кипячения воды», — говорит Деокар.

«Мы эксплуатировали их при удвоенной максимальной температуре, чем у других наноуглеродов (примерно вдвое меньшей потребляемой мощности), а полезная площадь нагрева также была увеличена, а это означает, что эффективность панели была значительно выше», — добавляет Педро.

Потенциальные области применения этого материала могут варьироваться от миниатюрных нагревателей для датчиков или микрофлюидных устройств до нагревателей промышленного масштаба, таких как авиационные обогреватели или регуляторы температуры в космосе.

По мнению команды, отличные характеристики NGF обусловлены наличием графеновых доменов и складок в материале, которые действуют как горячие точки. «Эти структурные особенности распределены по всей поверхности NGF, что объясняет высокие температуры и равномерное распространение тепла», — говорит Деокар.

Хотя морщины являются общими чертами других графитовых пленок наноразмерной толщины, графеновые домены в наших NGF уникальны, добавляет Педро. «Наличие и функции графеновых доменов — это то, что мы хотим лучше понять», — говорит он.

Больше информации: Гитанджали Деокар и др., Гибкие, воздухостойкие, высокопроизводительные нагреватели на основе графитовых пленок наноразмерной толщины, Прикладные материалы и интерфейсы ACS (2022). DOI: 10.1021/acsami.1c23803

Гитанджали Деокар и др., Быстрый рост графитовой пленки нанометровой толщины на никелевой фольге в масштабе пластины и ее структурный анализ, Нанотехнологии (2020). DOI: 10.1088/1361-6528/aba712

Гитанджали Деокар и др., Рост полупрозрачных графитовых пленок на Ni и их двусторонний перенос без полимера, Scientific Reports (2020). DOI: 10.1038/s41598-020-71435-7

Информация журнала:Нанотехнологии , Научные отчеты , Прикладные материалы и интерфейсы ACS