Voor de eerste keer, Prof. Dr. Markus Retsch en zijn onderzoeksgroep aan de Universiteit van Bayreuth zijn erin geslaagd om de temperatuurafhankelijke thermische geleidbaarheid nauwkeurig te regelen met behulp van polymeermaterialen. Deze geavanceerde functionele materialen - in eerste instantie geproduceerd voor laboratoriumexperimenten - zijn nu gepresenteerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang . De bevindingen zijn van groot belang voor de ontwikkeling van nieuwe concepten van thermische isolatie.

Van vlindervleugels tot nieuwe functionele materialen

De polymeermaterialen waarmee de thermische geleidbaarheid kan worden geregeld, zijn fotonische kristallen. Ze geven vaak vlinders, kevers, en andere insecten oogverblindende kleuren en zijn voornamelijk onderzocht vanwege hun optische effecten. Prof. Dr. Markus Retsch, Lichtenberg Junior Hoogleraar Polymeersystemen, en zijn promovendus Fabian Nutz (M.Sc.) hebben vier verschillende methoden ontwikkeld om de temperatuurafhankelijke warmteoverdracht in dergelijke fotonische kristallen te regelen.

Deze methoden maken gebruik van het feit dat polymere nanomaterialen meer warmtedoorlatend worden zodra ze hun nanostructuur verliezen door een bepaalde temperatuurdrempel te overschrijden. Dat is wanneer de thermische geleidbaarheid van de fotonische kristallen omhoog schiet tot een niveau dat twee of drie keer zo hoog is als voorheen. Op deze basis, duidelijk gedefinieerde effecten op thermische overdracht kunnen worden bereikt via veranderingen in de nanostructuur van de kristallen.

Filmvorming verhoogt de thermische geleidbaarheid

Het onderzoek van de wetenschappers in Bayreuth heeft aangetoond dat de temperatuur waarbij de thermische geleidbaarheid naar een hoger niveau springt, cruciaal afhangt van de samenstelling van de nanodeeltjes waaruit de fotonische kristallen bestaan. Deze temperatuur kan nauwkeurig worden aangepast door een weekmaker in de polymeerstructuur op te nemen. Of de thermische geleidbaarheid verandert binnen een breed of smal temperatuurbereik wanneer de temperatuur stijgt, kan ook nauwkeurig worden gecontroleerd:om dit te doen, hoeven alleen nanodeeltjes die qua grootte vergelijkbaar zijn, maar die qua weekmakergehalte verschillen, gelijkmatig te worden gemengd. Dit leidt tot een geleidelijk verlies van de nanostructuur over een breed temperatuurbereik. Bijgevolg, de toename van de thermische geleidbaarheid omvat ook een groter temperatuurbereik.

In aanvulling, door gebruik te maken van een gelaagde structuur, de onderzoekers slaagden er ook in om de continue toename om te zetten in een toename van de geleidbaarheid op meerdere niveaus. Door de dikte van individuele kristallagen aan te passen, men kan ook nauwkeurig het geleidbaarheidsniveau beïnvloeden dat op het betreffende niveau wordt bereikt.

Potentieel voor energietechnologie en thermisch beheer

"Deze onderzoeksresultaten tonen aan dat het in principe mogelijk is om de thermische geleidbaarheid in nanogestructureerde materialen met een hoge mate van precisie te regelen. het ontwikkelen van materialen waarmee thermische overdracht nauwkeurig kan worden gecontroleerd, is nog maar het begin. Onze bevindingen tot nu toe zijn zeer bemoedigend en hebben interessante concepten onthuld voor het construeren van meer energie-efficiënte isolatiematerialen. Op de lange termijn, deze concepten kunnen waardevol zijn voor de ontwikkeling van thermische transistors of diodes, "Prof. Retsch legde uit.

Hij deed, echter, wijzen op één obstakel dat nog moet worden overwonnen:de toename van de thermische geleidbaarheid - zoals geregeld in de vier door het team ontwikkelde methoden - is onomkeerbaar. Dit betekent dat de geleidbaarheid op het bereikte niveau blijft, ook als de temperatuur weer daalt. "Het bouwen van nanosystemen waarmee thermische overdracht omkeerbaar kan worden gecontroleerd, is een moeilijke maar opwindende en centrale taak voor verder onderzoek op dit gebied, " zei prof. Retsch.