Poeder is uitermate geschikt voor thermische isolatie wanneer er een wirwar van nanodeeltjes van verschillende grootte in zit. Dat is ontdekt door een onderzoeksgroep van de Universiteit van Bayreuth onder leiding van prof. dr. Markus Retsch. De wetenschappers konden bepalen hoe de thermische geleidbaarheid van poeder wordt beïnvloed door orde en chaos in de samenstellende delen. Ze hebben hun bevindingen gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen .

Het uitgangspunt van het onderzoek waren fototonische kristallen die van nature voorkomen in verschillende soorten insecten. Bijvoorbeeld, zij zijn verantwoordelijk voor de kleurrijke, glinsterende verschijning van vlindervleugels. Dergelijke kristallen zijn gemakkelijk te repliceren in het laboratorium met behulp van polymere nanodeeltjes. Ze hebben een boete, normaal, en stabiele structuur. Het effect van deze goed geordende structuur is dat het moeilijk wordt voor warmte om door de kristallen te stromen. De thermische geleidbaarheid is laag.

De onderzoekers in Bayreuth hebben nu ontdekt dat uit dergelijke nanodeeltjes materialen kunnen worden gemaakt die een nog veel lager warmtegeleidingsvermogen hebben. Deze materialen zijn mengsels in poedervorm:kristallijne orde wordt zo vervangen door chaos, en het aangename kleurenspel houdt ook op. Terwijl elk deeltje in het binnenste van fotonische kristallen wordt omringd door precies twaalf deeltjes in de directe omgeving, het aantal direct aangrenzende deeltjes in het mengsel is overal inconsistent. Bijgevolg, warmte moet omslachtige routes nemen, waardoor het des te moeilijker wordt om het mengsel te doordringen. Van de warme kant naar de koude kant stromen in een chaotische structuur is niet zo gemakkelijk voor de hitte als in goed geordende kristallen.

Om deze relaties volledig te verduidelijken, Prof. Dr. Markus Retsch en zijn team gebruikten een combinatie van laboratoriumexperimenten en computersimulaties. Hierdoor konden ze in detail onderzoeken hoe de samenstelling van het deeltjesmengsel de warmtestroom beïnvloedt. Het hoogste isolatie-effect wordt bereikt door een zeer groot aantal kleine deeltjes te mengen met minder grote deeltjes. Naast de mengverhouding, het verschil in grootte tussen de twee soorten deeltjes speelt ook een cruciale rol.

"Reproduceerbare chaos maken en deze beschrijven via simulaties is niet zo eenvoudig als het klinkt, " legde prof. Retsch uit over de uitdagingen van deze studie. "Het was alleen mogelijk om onze experimentele resultaten te vergelijken met computersimulaties omdat we nanodeeltjes hebben gemengd waarvan we het gedrag heel goed kunnen controleren, "zei hij. Op deze manier, de onderzoekers van de Universiteit van Bayreuth kregen gedetailleerde inzichten in de warmteverdeling in ongeordende materialen. Deze bevindingen zijn zeer relevant voor veel toepassingen, vooral op het gebied van thermische isolatie. Bijvoorbeeld, ze kunnen helpen om de thermische isolatieprestaties van bulkpoeders te verbeteren. Echter, ze bieden ook waardevolle aanwijzingen voor technische toepassingen die, omgekeerd, vertrouwen op een snelle en goed regelbare warmteafvoer. Dit is het geval, bijvoorbeeld, bij het optimaliseren van industriële sinterprocessen waarbij kleine poederdeeltjes worden gesmolten. De sleutel is om de temperatuur op de smeltpunten nauwkeurig te regelen, wat mogelijk is dankzij een verbeterde dissipatie.