Frigolit eller koppar - båda materialen har mycket olika egenskaper när det gäller deras förmåga att leda värme. Forskare vid Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) i Mainz och University of Bayreuth har nu gemensamt utvecklat och karakteriserat en roman, extremt tunt och transparent material som har olika värmeledningsegenskaper beroende på riktning. Även om det kan leda värme extremt bra i en riktning, den visar bra värmeisolering åt andra hållet.

Värmeisolering och värmeledning spelar en avgörande roll i vår vardag - från datorprocessorer, där det är viktigt att sprida värme så snabbt som möjligt, till hus, där bra isolering är avgörande för energikostnaderna. Ofta extremt lätt, porösa material som polystyren används för isolering, medan tunga material som metaller används för värmeavledning. Ett nyutvecklat material, som forskare vid MPI-P gemensamt har utvecklat och kännetecknat med University of Bayreuth, kan nu kombinera båda fastigheterna.

Materialet består av alternerande lager av plattor-tunna glasplattor mellan vilka individuella polymerkedjor sätts in. "I princip, vårt material som produceras på detta sätt motsvarar principen för dubbelglas, säger Markus Retsch, Professor vid University of Bayreuth. "Det visar bara skillnaden att vi inte bara har två lager, men hundratals. "

God värmeisolering observeras vinkelrätt mot skikten. I mikroskopiska termer, värme är en rörelse eller oscillation av enskilda molekyler i materialet som överförs till närliggande molekyler. Genom att bygga upp många lager ovanpå varandra, denna överföring reduceras:Varje nytt gränsskikt blockerar en del av värmeöverföringen. I kontrast, värmen i ett lager kan ledas väl - det finns inga gränssnitt som blockerar värmeflödet. Övergripande, värmeöverföringen i ett lager är 40 gånger högre än vinkelrätt mot det.

Värmeledningsförmågan längs skikten är jämförbar med värmeledningsförmågan hos termisk pasta, som används, bland annat, att applicera kylflänsar på datorprocessorer. För elektriskt isolerande material baserade på polymer/glas, detta värde är exceptionellt högt - det överstiger värdet för kommersiellt tillgänglig plast med en faktor sex.

För att materialet ska fungera effektivt och också vara transparent, lagren måste framställas med mycket hög precision - varje inhomogenitet skulle störa genomskinligheten liknande en repa i en bit plexiglas. Varje lager är bara en miljonedel av en millimeter högt - dvs. en nanometer. För att undersöka homogeniteten hos lagersekvensen, materialet karakteriserades i gruppen Josef Breu, Professor i oorganisk kemi vid University of Bayreuth.

"Vi använder röntgenstrålar för att belysa materialet, "säger Breu." Genom att överlagra dessa strålar, som reflekteras av de enskilda skikten, vi kunde visa att lagren kunde produceras mycket exakt. "

Prof. Fytas, medlem av professor Hans-Jürgen Butts avdelning, kunde ge ett svar på frågan varför denna skiktliknande struktur har så utomordentligt olika egenskaper längs eller vinkelrätt mot de enskilda glasplattorna. Med hjälp av en speciell laserbaserad mätning, hans grupp kunde karakterisera spridningen av ljudvågor, vilket är som värme också relaterat till rörelsen av materialets molekyler. "Detta strukturerade men ändå transparenta material är utmärkt för att förstå hur ljud sprider sig i olika riktningar, "säger Fytas. De olika ljudhastigheterna gör att man kan dra direkta slutsatser om de riktningsberoende mekaniska egenskaperna, som inte är tillgängliga med någon annan metod.

I deras vidare arbete, forskarna hoppas få en bättre förståelse för hur ljud och värmeutbredning kan påverkas av glasplattans struktur och polymersammansättningen. Forskarna ser en möjlig tillämpning inom högpresterande ljusemitterande dioder, där glaspolymerskiktet å ena sidan fungerar som en transparent inkapsling och å andra sidan kan sprida den frigjorda värmen i sidled.

Forskarna har nu publicerat sina resultat i den berömda tidskriften Angewandte Chemie — International Edition .