Udviklet materiale, der er varmeisolerende og varmeledende på samme tid

Styrofoam eller kobber - begge materialer har meget forskellige egenskaber med hensyn til deres evne til at lede varme. Forskere ved Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) i Mainz og University of Bayreuth har nu i fællesskab udviklet og karakteriseret en roman, ekstremt tyndt og gennemsigtigt materiale, der har forskellige termiske ledningsegenskaber afhængigt af retningen. Selvom det kan lede varme ekstremt godt i en retning, den viser god varmeisolering i den anden retning.

Varmeisolering og termisk ledning spiller en afgørende rolle i vores hverdag - fra computerprocessorer, hvor det er vigtigt at sprede varme så hurtigt som muligt, til huse, hvor god isolering er afgørende for energiomkostningerne. Ofte ekstremt let, porøse materialer som polystyren bruges til isolering, mens tunge materialer som metaller bruges til varmeafledning. Et nyudviklet materiale, som forskere ved MPI-P i fællesskab har udviklet og karakteriseret med University of Bayreuth, kan nu kombinere begge ejendomme.

Materialet består af skiftevis lag af skive-tynde glasplader, mellem hvilke individuelle polymerkæder indsættes. "I princippet, vores materiale fremstillet på denne måde svarer til princippet om termoruder, "siger Markus Retsch, Professor ved University of Bayreuth. "Det viser kun forskellen, at vi ikke kun har to lag, men hundredvis. "

God varmeisolering observeres vinkelret på lagene. I mikroskopiske termer, varme er en bevægelse eller svingning af individuelle molekyler i materialet, der overføres til nabomolekyler. Ved at bygge mange lag oven på hinanden, denne overførsel reduceres:Hvert nyt grænselag blokerer en del af varmeoverførslen. I modsætning, varmen i et lag kan ledes godt - der er ingen grænseflader, der blokerer varmestrømmen. Samlet set, varmeoverførslen i et lag er 40 gange højere end vinkelret på det.

Den termiske ledningsevne langs lagene er sammenlignelig med varmeledningens varmeledningsevne, som bruges, blandt andet, at anvende kølelegemer på computerprocessorer. For elektrisk isolerende materialer baseret på polymer/glas, denne værdi er usædvanlig høj - den overstiger værdien for kommercielt tilgængelig plast med en faktor seks.

For at materialet fungerer effektivt og også er gennemsigtigt, lagene skulle fremstilles med meget høj præcision - enhver inhomogenitet ville forstyrre gennemsigtigheden svarende til en ridse i et stykke plexiglas. Hvert lag er kun en milliontedel af en millimeter højt - dvs. et nanometer. For at undersøge lagsekvensens homogenitet, materialet var karakteriseret i gruppen af ​​Josef Breu, Professor i uorganisk kemi ved University of Bayreuth.

"Vi bruger røntgenstråler til at belyse materialet, "siger Breu." Ved at overlejre disse stråler, som afspejles af de enkelte lag, vi var i stand til at vise, at lagene kunne fremstilles meget præcist. "

Prof. Fytas, medlem af professor Hans-Jürgen Butts afdeling, kunne give et svar på spørgsmålet om, hvorfor denne laglignende struktur har så ekstraordinært forskellige egenskaber langs eller vinkelret på de enkelte glasplader. Ved hjælp af en særlig laserbaseret måling, hans gruppe var i stand til at karakterisere udbredelsen af ​​lydbølger, som er ligesom varme også relateret til bevægelsen af ​​materialets molekyler. "Dette strukturerede, men gennemsigtige materiale er fremragende til at forstå, hvordan lyd formerer sig i forskellige retninger, "siger Fytas. De forskellige lydhastigheder gør det muligt at drage direkte konklusioner om de retningsafhængige mekaniske egenskaber, som ikke er tilgængelige med nogen anden metode.

I deres videre arbejde, forskerne håber at få en bedre forståelse af, hvordan lyd og varmeudbredelse kan påvirkes af glaspladens struktur og polymersammensætningen. Forskerne ser en mulig anvendelse inden for højtydende lysemitterende dioder, hvor glaspolymerlaget på den ene side tjener som en gennemsigtig indkapsling og på den anden side kan sprede den frigivne varme sideværts.

Forskerne har nu offentliggjort deres resultater i det anerkendte tidsskrift Angewandte Chemie - International udgave .