Piepschuim of koper - beide materialen hebben zeer verschillende eigenschappen met betrekking tot hun vermogen om warmte te geleiden. Wetenschappers van het Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) in Mainz en de Universiteit van Bayreuth hebben nu gezamenlijk een roman ontwikkeld en gekarakteriseerd, extreem dun en transparant materiaal dat verschillende warmtegeleidingseigenschappen heeft, afhankelijk van de richting. Hoewel het warmte extreem goed in één richting kan geleiden, het vertoont een goede thermische isolatie in de andere richting.

Thermische isolatie en thermische geleiding spelen een cruciale rol in ons dagelijks leven - van computerprocessors, waar het belangrijk is om de warmte zo snel mogelijk af te voeren, naar huizen, waar goede isolatie essentieel is voor de energiekosten. Vaak extreem licht, poreuze materialen zoals polystyreen worden gebruikt voor isolatie, terwijl zware materialen zoals metalen worden gebruikt voor warmteafvoer. Een nieuw ontwikkeld materiaal, die wetenschappers van het MPI-P samen met de Universiteit van Bayreuth hebben ontwikkeld en gekarakteriseerd, kan nu beide eigenschappen combineren.

Het materiaal bestaat uit afwisselende lagen van flinterdunne glasplaten waartussen individuele polymeerketens zijn gestoken. "In principe, ons materiaal dat op deze manier wordt geproduceerd, komt overeen met het principe van dubbele beglazing, " zegt Markus Retsch, Professor aan de Universiteit van Bayreuth. "Het laat alleen maar het verschil zien dat we niet alleen twee lagen hebben, maar honderden."

Een goede thermische isolatie wordt waargenomen loodrecht op de lagen. In microscopische termen, warmte is een beweging of oscillatie van individuele moleculen in het materiaal die wordt overgebracht naar naburige moleculen. Door vele lagen op elkaar op te bouwen, deze overdracht wordt verminderd:Elke nieuwe grenslaag blokkeert een deel van de warmteoverdracht. In tegenstelling tot, de warmte binnen een laag kan goed worden geleid - er zijn geen interfaces die de warmtestroom zouden blokkeren. Algemeen, de warmteoverdracht binnen een laag is 40 keer hoger dan loodrecht erop.

De thermische geleidbaarheid langs de lagen is vergelijkbaar met de thermische geleidbaarheid van koelpasta, die wordt gebruikt, onder andere, om koellichamen toe te passen op computerprocessors. Voor elektrisch isolerende materialen op basis van polymeer/glas, deze waarde is uitzonderlijk hoog - hij overtreft die van commercieel verkrijgbare kunststoffen met een factor zes.

Om het materiaal efficiënt te laten functioneren en ook transparant te zijn, de lagen moesten met zeer hoge precisie worden geproduceerd - elke inhomogeniteit zou de transparantie verstoren, vergelijkbaar met een kras in een stuk plexiglas. Elke laag is slechts een miljoenste van een millimeter hoog, d.w.z. een nanometer. Om de homogeniteit van de lagenvolgorde te onderzoeken, het materiaal werd gekarakteriseerd in de groep van Josef Breu, Hoogleraar anorganische chemie aan de Universiteit van Bayreuth.

"We gebruiken röntgenstralen om het materiaal te verlichten, " zegt Breu. "Door deze stralen over elkaar heen te leggen, die worden weerspiegeld door de afzonderlijke lagen, we hebben kunnen laten zien dat de lagen heel precies gemaakt kunnen worden."

Prof. Fytas, lid van de afdeling Prof. Hans-Jürgen Butt, antwoord kunnen geven op de vraag waarom deze laagachtige structuur langs of loodrecht op de afzonderlijke glasplaten zulke buitengewoon verschillende eigenschappen heeft. Met behulp van een speciale lasergebaseerde meting, zijn groep was in staat om de voortplanting van geluidsgolven te karakteriseren, wat net als warmte ook verband houdt met de beweging van de moleculen van het materiaal. "Dit gestructureerde maar transparante materiaal is uitstekend om te begrijpen hoe geluid zich in verschillende richtingen voortplant, " aldus Fytas. Door de verschillende geluidssnelheden kunnen directe conclusies worden getrokken over de richtingsafhankelijke mechanische eigenschappen, die met geen enkele andere methode toegankelijk zijn.

In hun verdere werk de onderzoekers hopen beter te begrijpen hoe de voortplanting van geluid en warmte kan worden beïnvloed door de structuur van de glasplaat en de polymeersamenstelling. De onderzoekers zien een mogelijke toepassing op het gebied van high-performance light-emitting diodes, waarbij de glas-polymeerlaag enerzijds als transparante omhulling dient en anderzijds de vrijgekomen warmte zijdelings kan afvoeren.

De wetenschappers hebben hun resultaten nu gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Angewandte Chemie—Internationale editie .