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Apr 10, 2024

Pintura térmica: el recubrimiento en aerosol MXene puede aprovechar la radiación infrarroja para calentar o enfriar

Un equipo internacional de investigadores, dirigido por la Universidad de Drexel, ha descubierto que una fina capa de MXene, un tipo de nanomaterial bidimensional descubierto y estudiado en Drexel durante más de una década

Un equipo internacional de investigadores, dirigido por la Universidad de Drexel, ha descubierto que una fina capa de MXene (un tipo de nanomaterial bidimensional descubierto y estudiado en Drexel durante más de una década) podría mejorar la capacidad de un material para atrapar o eliminar calor. El descubrimiento, vinculado a la capacidad de MXene para regular el paso de la radiación infrarroja ambiental, podría conducir a avances en ropa térmica, elementos calefactores y nuevos materiales para calentamiento y enfriamiento radiativo.

El grupo, que incluye investigadores de ciencia de materiales y optoelectrónica de Drexel y científicos computacionales de la Universidad de Pensilvania, presentó recientemente su descubrimiento sobre las capacidades de calentamiento y enfriamiento radiativo asociados con MXene en un artículo titulado "Versatilidad de las propiedades infrarrojas de MXene" en Elsevier. Materiales de la revista hoy.

"Esta investigación revela otra faceta más de la versatilidad de los materiales MXene", dijo Yury Gogotsi, PhD, Universidad Distinguida y profesor de la cátedra Bach en la Facultad de Ingeniería de Drexel, quien dirigió la investigación. “Los recubrimientos MXene que poseen capacidades excepcionales para contener o emitir radiación infrarroja, sin dejar de ser extremadamente delgados (entre 200 y 300 veces más delgados que un cabello humano), livianos y flexibles, podrían encontrar aplicaciones tanto en la gestión térmica localizada como en sistemas de calefacción y enfriamiento radiativos a gran escala. Hay ventajas significativas con la calefacción y refrigeración por infrarrojos pasivos en comparación con los activos tradicionales, que requieren energía eléctrica para funcionar”.

Los MXenes son una familia de nanomateriales bidimensionales descubiertos originalmente por investigadores de Drexel en 2011 y que, debido a su composición y estructura bidimensional, han demostrado progresivamente ser excepcionales para conducir electricidad, almacenar energía eléctrica, filtrar compuestos químicos y bloquear la radiación electromagnética. , entre otras capacidades. A lo largo de los años, los científicos de materiales han producido e investigado exhaustivamente MXenes con diversas composiciones químicas, lo que ha dado como resultado el descubrimiento de numerosas aplicaciones.

En su artículo reciente, el equipo midió la capacidad de 10 composiciones diferentes de MXene para ayudar o dificultar el paso de la radiación infrarroja (una medida llamada "emisividad") que se correlaciona con su capacidad para capturar o disipar pasivamente el calor ambiental.

"Sabíamos por investigaciones anteriores que los MXenes son más que capaces de reflejar o absorber ondas de radio y radiación de microondas, por lo que el siguiente paso fue observar su interacción con la radiación infrarroja, que tiene una longitud de onda mucho más corta", dijo Danzhen Zhang, investigador de doctorado. investigador en el laboratorio de Gogotsi y coautor del artículo. “La ventaja de poder controlar el paso de la radiación infrarroja es que podemos utilizar este tipo de radiación para calentamiento pasivo -si podemos contenerlo- o enfriamiento pasivo -si podemos disiparlo-. Los MXenes que probamos demostraron que pueden hacer ambas cosas, dependiendo de su composición elemental y del número de capas atómicas”.

En comparación con los materiales de enfriamiento pasivo disponibles en el mercado hoy en día, que permiten que la radiación térmica infrarroja del cuerpo (calor corporal) escape a través de su composición textil liviana y porosa, los textiles recubiertos de MXene pueden funcionar aún mejor, según Tetiana Hryhorchuk. investigador de doctorado en el laboratorio de Gogotsi y coautor de la investigación, porque estos textiles recubiertos tienen la capacidad adicional de reflejar la radiación infrarroja externa, para evitar el calentamiento de la luz solar, al tiempo que permiten el paso de la radiación infrarroja emitida por el cuerpo.

Los investigadores descubrieron que los MXenes de carburo de niobio podían disipar eficazmente el calor, mientras que el carburo de titanio exhibía una protección térmica excepcional, y su temperatura aumentaba sólo a 43 grados Celsius después de calentarse durante cinco minutos en una placa calefactora a 110 grados.

"La alta emisividad, como la del carburo de niobio, también es posible en materiales dieléctricos", dijo Gogotsi. "Sin embargo, los MXenes combinan esta capacidad con la conductividad eléctrica, lo que significa que estos MXenes también pueden usarse como elementos calefactores eléctricos activos con el suministro de energía externa".

Se descubrió que un recubrimiento de carburo de titanio MXene fortalece los materiales contra la penetración y emisión de radiación infrarroja. En las pruebas, los materiales recubiertos con MXene, incluso con una capa delgada, obtuvieron mejores resultados para proteger la radiación infrarroja que los metales pulidos, que actualmente son los materiales comerciales de mejor rendimiento. Esto significa que MXenes podría integrarse en ropa liviana que mantenga al usuario abrigado en ambientes extremos.

Para probarlo, el equipo tiñó una camiseta de algodón con una solución MXene de carburo de titanio y utilizó una cámara térmica infrarroja para controlar la temperatura de la persona que la llevaba. Los resultados mostraron que la camiseta recubierta de MXene mantenía a su usuario entre 10 y 15 grados centígrados más frío (aproximadamente a temperatura ambiente) que una persona que llevaba una camiseta normal.

Estos resultados sugieren que las prendas recubiertas con MXene son efectivas para mantener la temperatura corporal, al tiempo que ofrecen la ventaja de aplicarse mediante un proceso de recubrimiento por inmersión comparativamente más fácil que el que requiere la mayoría de las prendas térmicas.

"La ropa térmica comercial utiliza fibras poliméricas muy finas con baja conductividad térmica, como el vellón, por ejemplo", dijo Lingyi Bi, investigador doctoral en el laboratorio de Gogotsi, con experiencia en textiles. “Nos mantienen calientes minimizando la transferencia de calor a través del tejido, para hacerlo de manera efectiva deben ser muy gruesos. Pero MXene nos mantiene calientes principalmente evitando que el calor corporal escape en forma de radiación infrarroja. Por lo tanto, una capa de MXene más delgada que la seda podría proporcionar un calentamiento eficaz. Este es el mismo principio que se utiliza en las mantas térmicas Mylar que reciben los corredores después de una carrera en clima frío”.

Gogotsi sugiere que la capacidad de bloqueo de infrarrojos también podría usarse para camuflar personas y equipos de los dispositivos de detección térmica, o para transmitir información de forma encubierta a través de códigos de identificación de radiofrecuencia visibles sólo para lectores de infrarrojos.

El equipo planea continuar estudiando los mecanismos subyacentes al bloqueo de infrarrojos y el comportamiento de emisión de MXene, así como probar MXenes con diferentes composiciones químicas para optimizar su potencial como materiales de calentamiento y enfriamiento radiativo.

Además de Gogotsi, Danzhen Zhang, Akash Singh, Tetiana Hryhorchuk, Christopher Eugene Shuck, Teng Zhang, Lingyi Bi y Bernard McBride, de Drexel; Vivek B. Shenoy de la Universidad de Pensilvania y Meikang Han, actualmente en la Universidad de Fudan, contribuyeron a esta investigación.

Lea el artículo completo aquí: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702123000445?via%3Dihub

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