Des chercheurs anglais et français ont développé un matériau de la famille des super réseaux cristallins qui a la particularité d’avoir la plus faible conductivité thermique jamais enregistrée pour un matériau inorganique.
Alors que 70 % de l’énergie générée dans le monde est perdue sous forme de chaleur, le développement de matériaux plus isolants et de nouvelles barrières thermiques est un enjeu environnemental important.
Un agencement qui repousse les limites des matériaux
Dans les matériaux cristallins, la conductivité thermique minimale est soumise à une limite intrinsèque qui dépend de la dispersion des phonons. Il existe cependant un moyen de repousser cette limite en construisant des empilements multicouches de matériaux cristallins, c’est à dire, en combinant les bons matériaux et en choisissant les interfaces chimiques les plus favorables.
Les travaux, présentés dans le journal Science, par cette équipe de chercheurs franco-britannique démontrent bel et bien que ces limites peuvent être repoussées.
En combinant deux arrangements atomiques différents, BiOCl et Bi2O2Se, ils ont ainsi synthétisé un super réseau cristallin (ou réseau « superlattice ») de formule Bi4O4SeCl2. Ils espéraient alors intuitivement créer un matériau dont les propriétés physiques seraient en quelque sorte une moyenne des deux matériaux de départ. C’est tout l’inverse qui s’est produit.
Des performances inédites
Avec ses deux arrangements combinés, ce nouveau matériau présente une conductivité thermique inférieure à chacun des arrangements atomiques de départ. Ceci met en évidence les synergies qui peuvent être créées par le contrôle chimique de l’arrangement spatial d’interfaces distinctes.
La conductivité thermique du Bi4O4SeCl2 est ainsi inférieure à 0.1 W⋅m-1⋅K-1, à température ambiante, dans la direction de l’empilement, ce qui est peu pour un solide inorganique. À titre de comparaison, ce matériau a une conductivité thermique 1 000 fois plus faible que l’acier et 10 fois plus faible qu’une brique de construction.
Cette découverte montre une nouvelle fois qu’il est possible de repousser les limites des matériaux. Dans un communiqué de presse, le professeur Matt Rosseinsky l’affirme :
« Les implications de cette découverte sont importantes, tant pour la compréhension scientifique fondamentale que pour les applications pratiques dans les dispositifs thermoélectriques de conversion de la chaleur perdue et en tant que revêtement de barrière thermique pour des turbines à gaz plus efficaces. »
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