Синтез фемтосекундным лазером многомасштабных композиционных материалов из высокоэнтропийных сплавов/графена для высокоэффективного джоулевого нагрева

Новые материалы для более умного электрического обогрева

Бытовые обогреватели, автомобильные дефростеры и противообледенительные системы все используют электричество для выработки тепла, но большая часть этой энергии теряется. В этой работе представлен новый тип ультратонкого гибкого нагревателя, изготовленного из смеси металлических наночастиц и графена, который преобразует электричество в тепло значительно эффективнее многих существующих устройств, потенциально сокращая потребление энергии на отопление зимой примерно наполовину в некоторых сценариях.

Создание тепла из металлических смесей и графена

В основе работы — сочетание двух передовых материалов: наночастиц высокоэнтропийных сплавов и лазерно-индуцированного графена. Высокоэнтропийные сплавы получают смешением нескольких металлов так тщательно, что они образуют единую стабильную твердую фазу вместо разнородных фаз. Авторы объединяют шесть металлов — железо, кобальт, никель, хром, марганец и рутений — в крошечные частицы размером всего в несколько нанометров. Эти частицы формируют прямо на листе графена, который сам «выписывается» на гибкой пластиковой пленке с помощью интенсивного, сильно сфокусированного лазерного луча. Основа из графена темная, пористая и отлично поглощает лазерный свет, что делает её идеальной платформой для создания композитного нагревателя.

Лазерные вспышки, кующие наночастицы за доли секунды

Чтобы получить нагревательный материал, команда сначала покрывает графен тонким слоем раствора металлической соли. Затем на поверхность направляют фемтосекундные лазерные импульсы — вспышки света длительностью всего несколько квадриллионных долей секунды. Эти импульсы нагревают поверхность до более чем 3000 кельвинов и охлаждают её снова в течение наносекунд и пикосекундных интервалов. При таких экстремальных, но мимолетных условиях соли металлов разлагаются, атомы металлов быстро перемешиваются и «замораживаются» в однородные наночастицы высокоэнтропийного сплава, при этом пластик под ними остается невредимым. Компьютерные моделирования и электронная микроскопия показывают, что образующиеся частицы в основном имеют размеры от 5 до 30 нанометров, равномерно разбросаны и заякорены в поверхности графена, некоторые покрыты тонкой защитной графеновой оболочкой.

Как новая пленка проводит и излучает тепло

Сочетание графена и наночастиц сплава значительно улучшает проводимость пленки и её способность излучать инфракрасное тепло. Измерения показывают, что поверхностное сопротивление — величина, характеризующая легкость протекания тока — снижается по сравнению с обычным лазерно-индуцированным графеном. Расчёты указывают на две основные причины: сами металлические наночастицы создают дополнительные пути для электронов, а также помогают удалять кислородсодержащие дефекты из графена, делая его более проводящим. Одновременно шероховатая, многомасштабная структура поверхности и небольшое количество оксидов металлов обеспечивают пленке очень высокую инфракрасную испускательную способность около 0,98 в широком диапазоне длин волн. Проще говоря: когда пленка нагревается, она исключительно хорошо «светит» в инфракрасном диапазоне — той форме излучения, которую мы ощущаем как лучистое тепло.

Тонкий, быстрый и эффективный нагрев в реальных условиях

При подаче небольшого напряжения композитная пленка быстро нагревается более чем до 200 градусов Цельсия, оставаясь при этом равномерной по поверхности и сохраняя работоспособность при многократном изгибе и циклическом включении/выключении. При сравнении нагревателей с одинаковой площадью и источником питания новый материал быстрее достигает более высокой температуры, чем коммерческий электрический нагреватель. В испытаниях он растопил лед за считанные минуты, эффективнее согревал удалённый холодный объект по сравнению со стандартным нагревателем и поддерживал комфортную температуру внутри макета дома при отрицательной уличной температуре, используя примерно вдвое меньше электроэнергии. Исследователи также рассчитали, сколько зимнего отопления можно сэкономить с помощью таких устройств в разных городах, обнаружив значительный потенциал экономии, особенно в более холодных регионах.

Что это значит для повседневного отопления

Для неспециалистов главный вывод таков: авторы создали гибкий, бумажно-тонкий электрический нагреватель, который преобразует электрическую энергию в комфортное лучистое тепло с выдающейся эффективностью. Используя ультрабыстрые лазерные вспышки для формирования тонко перемешанного металлическо-графенового покрытия, им удалось получить материал, сочетавший высокую проводимость и превосходные теплоизлучающие свойства. При применении в реальных изделиях — таких как противообледенительные системы, носимые подогреватели или обогреватели помещений — этот подход может помочь согревать людей, потребляя значительно меньше электроэнергии, способствуя более устойчивому и целевому отоплению в мире, который становится теплее, но где по-прежнему бывают зимние холода.

Цитирование: Wang, L., Yin, K., Xiao, J. et al. Femtosecond laser synthesis of multiscale high-entropy alloys/graphene composites for high-performance Joule heating. Nat Commun 17, 2121 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70162-3

Ключевые слова: Джоулев нагрев, высокоэнтропийные сплавы, графеновые нагреватели, инфракрасная испускательная способность, энергоэффективное отопление