Pulver är extremt väl lämpad för värmeisolering när det är ett virrvarr av olika nanopartiklar i det. Detta upptäcktes av en forskargrupp vid University of Bayreuth under ledning av professor Dr. Markus Retsch. Forskarna kunde avgöra hur pulverkets värmeledningsförmåga påverkas av ordning och kaos i dess beståndsdelar. De har publicerat sina fynd i tidningen Avancerade material .

Utgångspunkten för forskningen var fototoniska kristaller som förekommer naturligt i olika insektsarter. Till exempel, de är ansvariga för de färgglada, glittrande utseende av fjärilarnas vingar. Sådana kristaller är lätta att replikera i laboratoriet med användning av polymera nanopartiklar. De har böter, regelbunden, och stabil struktur. Effekten av denna välordnade struktur är att det blir svårt för värme att flöda genom kristallerna. Värmeledningsförmågan är låg.

Forskarna i Bayreuth har nu fått reda på att material kan produceras från sådana nanopartiklar som uppvisar en värmeledningsförmåga som är ännu mycket lägre. Dessa material är blandningar i pulverform:kristallin ordning ersätts således med kaos, och det trevliga samspelet mellan färger upphör också. Medan varje partikel i det inre av fotoniska kristaller omges av exakt tolv partiklar i direkt närhet, antalet direkt intilliggande partiklar i blandningen är inkonsekvent hela tiden. Följaktligen, värme måste ta kretslopp, vilket gör det ännu svårare att genomsyra blandningen. Att flyta från den varma sidan till den kalla sidan i en kaotisk struktur är inte lika lätt för värmen som i välordnade kristaller.

För att helt klargöra dessa relationer, Prof. Dr. Markus Retsch och hans team använde en kombination av laboratorieexperiment och datasimuleringar. Detta gjorde att de i detalj kunde undersöka hur partikelblandningens sammansättning påverkar värmeflödet. Den högsta isoleringseffekten uppnås genom att blanda ett mycket stort antal små partiklar med färre stora partiklar. Förutom blandningsförhållandet, skillnaden i storlek mellan de två typerna av partiklar spelar också en avgörande roll.

"Att skapa reproducerbart kaos och beskriva det via simuleringar är inte så enkelt som det låter, "förklarade professor Retsch om utmaningarna i denna studie." Det var bara möjligt att jämföra våra experimentella resultat med datasimuleringar eftersom vi blandade nanopartiklar vars beteende vi kan kontrollera mycket bra, sa han. På det här sättet, forskarna vid University of Bayreuth kunde få detaljerad inblick i värmefördelning i störda material. Dessa fynd är mycket relevanta för många tillämpningar, särskilt när det gäller värmeisolering. Till exempel, de kan hjälpa till att förbättra värmeisoleringsprestandan för bulkpulver. Dock, de ger också värdefulla ledtrådar för tekniska applikationer som, omvänt, lita på snabb och mycket kontrollerbar värmeavledning. Det här är fallet, till exempel, vid optimering av industriella sintringsprocesser där små partiklar av pulver smälts. Nyckeln är att exakt reglera temperaturen vid smältpunkterna, vilket är möjligt tack vare förbättrad avledning.