Forskere demonstrerer nye koncepter for varmestyring

For første gang, Prof. Dr. Markus Retsch og hans forskningsgruppe ved University of Bayreuth er lykkedes med præcist at kontrollere temperaturafhængig termisk ledningsevne ved hjælp af polymermaterialer. Disse avancerede funktionelle materialer – oprindeligt produceret til laboratorieforsøg – er nu blevet præsenteret i tidsskriftet Videnskabens fremskridt . Resultaterne har stor relevans for udviklingen af ​​nye begreber inden for varmeisolering.

Fra sommerfuglevinger til nye funktionelle materialer

Polymermaterialerne, der gør det muligt at kontrollere varmeledningsevnen, er fotoniske krystaller. De giver ofte sommerfugle, biller, og andre insekter blændende farver og er hovedsageligt blevet undersøgt på grund af deres optiske virkninger. Prof. Dr. Markus Retsch, Lichtenberg juniorprofessor i polymersystemer, og hans ph.d.-studerende Fabian Nutz (M.Sc.) har udviklet fire forskellige metoder til at kontrollere temperaturafhængig varmeoverførsel i sådanne fotoniske krystaller.

Disse metoder udnytter det faktum, at polymere nanomaterialer bliver mere varmegennemtrængelige, når de mister deres nanostruktur ved at krydse en vis temperaturtærskel. Det er, når den termiske ledningsevne af de fotoniske krystaller skyder i vejret til et niveau, der er to eller tre gange så højt, som det var før. På dette grundlag, klart definerede effekter på termisk overførsel kan opnås via ændringer i krystallernes nanostruktur.

Filmdannelse øger den termiske ledningsevne

Forskernes forskning i Bayreuth har vist, at den temperatur, hvorved varmeledningsevnen springer til et højere niveau, afhænger af sammensætningen af ​​de nanopartikler, der udgør de fotoniske krystaller. Denne temperatur kan justeres præcist ved at inkorporere et blødgøringsmiddel i polymerstrukturen. Hvorvidt termisk ledningsevne ændrer sig inden for et bredt eller snævert temperaturområde, når temperaturen stiger, kan også kontrolleres præcist:Det kræver kun, at nanopartikler, der er ens i størrelse, men som er forskellige med hensyn til blødgøringsindhold, skal blandes ens. Dette fører til et gradvist tab af nanostrukturen over et bredt temperaturområde. Følgelig, stigningen i termisk ledningsevne spænder også over et større temperaturområde.

Ud over, ved at bruge en lagdelt struktur, forskerne formåede også at omdanne den kontinuerlige stigning til en stigning i ledningsevnen på flere niveauer. Ved at justere tykkelsen af ​​individuelle krystallag, man kan også præcist påvirke det konduktivitetsniveau, der nås på det respektive niveau.

Potentiale for energiteknologi og termisk styring

"Disse forskningsresultater viser, at det i princippet er muligt at regulere termisk ledningsevne i nanostrukturerede materialer med en høj grad af præcision. at udvikle materialer, der gør det muligt at kontrollere termisk overførsel præcist, er kun begyndelsen. Vores resultater hidtil er meget opmuntrende og har afsløret interessante koncepter til konstruktion af mere energieffektive isoleringsmaterialer. På lang sigt, disse begreber kan være værdifulde for udviklingen af ​​termiske transistorer eller dioder, " forklarede prof. Retsch.

Han gjorde, imidlertid, peg på en forhindring, der stadig skal overvindes:stigningen i varmeledningsevne - som reguleret i de fire metoder udviklet af teamet - er irreversibel. Det betyder, at ledningsevnen forbliver på det niveau, der nås, selv når temperaturen synker igen. "At konstruere nanosystemer, der gør det muligt at kontrollere termisk overførsel reversibelt, er en vanskelig, men spændende og central opgave for yderligere forskning på dette område, " sagde prof. Retsch.