热敏涂料：MXene喷涂涂料可以利用红外辐射进行加热或冷却

由德雷塞尔大学领导的一个国际研究小组发现，MXene的薄涂层 - 一种在德雷克塞尔发现和研究十多年的二维纳米材料 - 可以增强材料捕获或散发热量的能力。这一发现与MXene调节环境红外辐射通过的能力有关，可能导致保暖服，加热元件和辐射加热和冷却新材料的进步。

该小组包括来自德雷克塞尔的材料科学和光电子学研究人员以及宾夕法尼亚大学的计算科学家，最近在一篇题为“MXene红外特性的多功能性”的论文中阐述了与MXene相关的辐射加热和冷却能力的发现今日材料。

“这项研究揭示了MXene材料多功能性的另一个方面，”杰出大学和德雷克塞尔工程学院巴赫讲座教授Yury Gogotsi博士说，他是该研究的领导者。

“MXene涂层具有容纳或发射红外辐射的卓越能力，同时保持极薄 - 比人类头发薄200-300倍 - 轻巧而灵活，可以在局部热管理和大规模辐射加热和冷却系统中找到应用。被动红外加热和冷却比传统的有源红外加热和冷却具有显着的优势，传统的主动红外加热和冷却需要电力才能运行。

MXenes是Drexel研究人员最初于2011年发现的二维纳米材料家族，由于其组成和二维结构，已逐渐证明在导电，储存电能，过滤化合物和阻挡电磁辐射方面具有特殊性。，以及其他功能。多年来，材料科学家已经生产并广泛研究了具有各种化学成分的MXenes，从而发现了许多应用。

在他们最近的论文中，该团队测量了10种不同的MXene成分帮助或阻碍红外辐射通过的能力 - 一种称为“发射率”的度量 - 这与它们被动捕获或消散环境热量的能力相关。

“我们从以前的研究中知道，MXenes能够反射或吸收无线电波和微波辐射，因此下一步是观察它们与波长短得多的红外辐射的相互作用，”Gogotsi实验室的联合博士研究员Danzhen Zhang说。

“能够控制红外辐射通过的优势在于，我们可以使用这种类型的辐射进行被动加热 - 如果我们能够控制它 - 或被动冷却 - 如果我们能够消散它。我们测试的MXenes表明，它们可以同时做到这两点，这取决于它们的元素组成和原子层的数量。

与当今市场上可用的被动冷却材料相比，这些材料允许来自人体的热红外辐射 - 身体热量 - 通过其轻质和多孔的纺织品成分逸出，MXene涂层纺织品可以做得更好，根据Gogotsi实验室的博士研究员Tetiana Hryhorchuk和该研究的合著者，因为这些涂层纺织品具有反射外部红外辐射的额外能力， 避免阳光加热，同时也允许从身体发出的红外辐射通过。

研究人员发现，碳化铌MXenes可以有效散热，而碳化钛表现出出色的隔热性，在43度的电炉上加热五分钟后，其温度仅升至110摄氏度。

“像碳化铌这样的高发射率在介电材料中也是可能的，”Gogotsi说。“然而，MXenes将这种能力与导电性相结合，这意味着这些MXenes也可以用作提供外部电源的主动电加热元件。

发现碳化钛MXene涂层可以增强材料免受红外辐射的穿透和发射。在测试中，MXene涂层材料，即使涂层很薄，在屏蔽红外辐射方面也比抛光金属更好，抛光金属是目前性能最好的商业材料。这意味着MXenes可以集成到轻便的服装中，使穿着者在极端环境中保持温暖。

为了测试它，该团队用碳化钛MXene溶液染色了一件棉质T恤，并使用红外热像仪监测穿着它的人的温度。结果显示，MXene涂层衬衫的穿着者比穿着普通T恤的人保持约10-15摄氏度的温度 - 大约室温。

这些结果表明，MXene涂层服装可有效维持体温，同时还具有通过相对容易的浸涂工艺进行涂覆的优势，而不是大多数保暖服装所需的。

“商业保暖服使用导热系数低的非常薄的聚合物纤维 - 例如羊毛，”Gogotsi实验室的博士研究员Lingyi Bi说，他具有纺织品专业知识。“它们通过最大限度地减少通过织物的热传递来保持温暖，为了有效地做到这一点，它们必须非常厚。但MXene主要通过防止身体热量作为红外辐射逸出来保持温暖。因此，比丝绸薄的MXene涂层可以提供有效的加热。这与跑步者在寒冷天气比赛后获得的聚酯薄膜保暖毯中使用的原理相同。

Gogotsi认为，红外阻隔能力也可用于伪装热探测设备的人员和设备，或通过只有红外阅读器可见的射频识别码秘密传输信息。

该团队计划继续研究MXene的红外阻隔和发射行为背后的机制，并测试具有不同化学成分的MXenes，以优化其作为辐射加热和冷却材料的潜力。

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