För första gången, Prof. Dr. Markus Retsch och hans forskargrupp vid University of Bayreuth har lyckats med att exakt kontrollera temperaturberoende värmeledningsförmåga med hjälp av polymermaterial. Dessa avancerade funktionella material – ursprungligen framtagna för laboratorieexperiment – ​​har nu presenterats i tidskriften Vetenskapens framsteg . Fynden är av stor relevans för utvecklingen av nya koncept för värmeisolering.

Från fjärilsvingar till nya funktionella material

Polymermaterialen som gör att värmeledningsförmågan kan kontrolleras är fotoniska kristaller. De ger ofta fjärilar, skalbaggar, och andra insekter bländande färger och har främst undersökts på grund av deras optiska effekter. Prof. Dr. Markus Retsch, Lichtenberg juniorprofessor i polymersystem, och hans doktorand Fabian Nutz (M.Sc.) har utvecklat fyra olika metoder för att kontrollera temperaturberoende värmeöverföring i sådana fotoniska kristaller.

Dessa metoder utnyttjar det faktum att polymera nanomaterial blir mer värmegenomsläppliga när de förlorar sin nanostruktur genom att passera en viss temperaturtröskel. Det är då de fotoniska kristallernas värmeledningsförmåga skjuter i höjden till en nivå som är två eller tre gånger så hög som den var tidigare. Utifrån detta, tydligt definierade effekter på termisk överföring kan uppnås via förändringar i kristallernas nanostruktur.

Filmbildning ökar värmeledningsförmågan

Forskarnas forskning i Bayreuth har visat att temperaturen vid vilken värmeledningsförmågan hoppar till en högre nivå är avgörande beroende på sammansättningen av nanopartiklarna som utgör de fotoniska kristallerna. Denna temperatur kan justeras exakt genom att införliva ett mjukningsmedel i polymerstrukturen. Huruvida värmeledningsförmågan ändras inom ett brett eller snävt temperaturområde när temperaturen stiger kan också kontrolleras noggrant:att göra det kräver bara att nanopartiklar som är lika stora men som skiljer sig åt med avseende på innehåll av mjukgörare blandas lika. Detta leder till en gradvis förlust av nanostrukturen över ett brett temperaturområde. Följaktligen, ökningen av värmeledningsförmågan spänner också över ett större temperaturområde.

Dessutom, genom att använda en skiktad struktur, forskarna lyckades också omvandla den kontinuerliga ökningen till en ökning av konduktiviteten på flera nivåer. Genom att justera tjockleken på enskilda kristalllager, man kan också exakt påverka den konduktivitetsnivå som uppnås på respektive nivå.

Potential för energiteknik och värmehantering

"Dessa forskningsrön visar att det i princip är möjligt att reglera värmeledningsförmågan i nanostrukturerade material med en hög grad av precision. att utveckla material som gör att värmeöverföringen kan kontrolleras exakt är bara början. Våra resultat hittills är mycket uppmuntrande och har avslöjat intressanta koncept för att konstruera mer energieffektiva isoleringsmaterial. I längden, dessa koncept kan vara värdefulla för utvecklingen av termiska transistorer eller dioder, " förklarade Prof. Retsch.

Han gjorde, dock, peka på ett hinder som fortfarande måste övervinnas:ökningen av värmeledningsförmågan – som regleras i de fyra metoder som utvecklats av teamet – är oåterkallelig. Det gör att konduktiviteten ligger kvar på den nivå som uppnås även när temperaturen sjunker igen. "Att konstruera nanosystem som möjliggör att termisk överföring kan styras reversibelt är en svår men spännande och central uppgift för vidare forskning inom detta område, " sade prof. Retsch.