Kaos, der holder dig varm:Forskere forbedrer varmeisolering ved hjælp af bevidst kaos

Pulver er ekstremt velegnet til varmeisolering, når der er et virvar af forskellige nanopartikler i det. Dette blev opdaget af en forskergruppe ved University of Bayreuth ledet af professor Dr. Markus Retsch. Forskerne var i stand til at bestemme, hvordan pulverets varmeledningsevne påvirkes af orden og kaos i dets bestanddele. De har offentliggjort deres resultater i tidsskriftet Avancerede materialer .

Forskningens udgangspunkt var fototoniske krystaller, der forekommer naturligt i forskellige insektarter. For eksempel, de er ansvarlige for de farverige, glitrende udseende af sommerfuglevinger. Sådanne krystaller er lette at replikere i laboratoriet ved hjælp af polymer -nanopartikler. De har en bøde, fast, og stabil struktur. Effekten af ​​denne velordnede struktur er, at det bliver svært for varme at strømme gennem krystallerne. Varmeledningsevnen er lav.

Forskerne i Bayreuth har nu fundet ud af, at der kan fremstilles materialer fra sådanne nanopartikler, som udviser en varmeledningsevne, der er endnu meget lavere. Disse materialer er blandinger i pulverform:krystallinsk orden erstattes således med kaos, og det behagelige samspil mellem farver ophører også. Mens hver partikel i det indre af fotoniske krystaller er omgivet af præcis tolv partikler i umiddelbar nærhed, antallet af direkte nabopartikler i blandingen er inkonsekvent hele vejen igennem. Følgelig, varme skal tage kredsløb, hvilket gør det endnu vanskeligere at gennemtrænge blandingen. At flyde fra den varme side til den kolde side i en kaotisk struktur er ikke så let for varmen, som det er i velordnede krystaller.

For helt at afklare disse forhold, Prof. Dr. Markus Retsch og hans team brugte en kombination af laboratorieforsøg og computersimuleringer. Dette gav dem mulighed for i detaljer at undersøge, hvordan partikelblandingens sammensætning påvirker varmestrømmen. Den højeste isoleringseffekt opnås ved at blande et meget stort antal små partikler med færre store partikler. Ud over blandingsforholdet, forskellen i størrelse mellem de to typer partikler spiller også en afgørende rolle.

"At lave reproducerbart kaos og beskrive det via simuleringer er ikke så let som det lyder, "forklarede professor Retsch om udfordringerne ved denne undersøgelse." Det var kun muligt at sammenligne vores eksperimentelle resultater med computersimuleringer, fordi vi blandede nanopartikler, hvis adfærd vi kan kontrollere meget godt, sagde han. På denne måde, forskerne ved University of Bayreuth var i stand til at få detaljeret indsigt i varmefordeling i uordnede materialer. Disse fund er yderst relevante for mange applikationer, især inden for varmeisolering. For eksempel, de kan bidrage til at forbedre den termiske isoleringsevne af bulkpulvere. Imidlertid, de giver også værdifulde spor til tekniske applikationer, som, omvendt, stole på hurtig og meget kontrollerbar varmeafledning. Dette er tilfældet, for eksempel, i optimeringen af ​​industrielle sintringsprocesser, hvor små partikler af pulver smeltes. Nøglen er at præcist regulere temperaturen ved smeltepunkterne, hvilket er muligt takket være forbedret spredning.