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Wärmeleitung und -isolation vereint Material mit richtungsweisender Wärmeleitfähigkeit

Autor / Redakteur: Dr. Christian Schneider / Christian Lüttmann

Essen braten wir in einer gusseisernen Pfanne oder lassen es uns in einer Styroporbox nach Hause liefern. Einmal nutzen wir ein Material, was Wärme gut leitet – einmal eines, was Wärme gut isoliert. Doch nun haben Forscher ein neues Schichtmaterial entwickelt, das beides gleichzeitig kann – und zwar richtungsabhängig.

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Das neu entwickeltes Material leitet Wärme gut entlang der Schichten, während es senkrecht dazu wärmeisolierend wirkt.
Das neu entwickeltes Material leitet Wärme gut entlang der Schichten, während es senkrecht dazu wärmeisolierend wirkt.
(Bild: MPI-P, Lizenz CC-BY-SA)

Mainz, Bayreuth – Wärmeisolation und Wärmeleitung spielen in unserem Alltag eine entscheidende Rolle – angefangen von Computerprozessoren, bei denen es wichtig ist, Wärme schnellstmöglich abzuleiten, bis hin zu Häusern, wo eine gute Isolation für die Energiekosten essenziell ist. Oftmals werden für die Isolation extrem leichte, poröse Materialien verwendet wie beispielsweise Styropor, für die Wärmeableitung meist Metalle. Ein neu entwickeltes Material, welches Wissenschaftler des MPI-P mit der Universität Bayreuth gemeinsam entwickelt und charakterisiert haben, verbindet nun beide Eigenschaften.

Wärmestrom in Schichten

Das Material besteht aus sich abwechselnden Schichten hauchdünner Glasplättchen, zwischen welche einzelne Polymerketten eingeschoben sind. „Unser so hergestelltes Material entspricht dem Prinzip einer Doppelverglasung“, sagt Markus Retsch, Professor an der Universität Bayreuth. „Es zeigt nur den Unterschied, dass wir nicht nur zwei Schichten haben, sondern hunderte.“ Senkrecht zu den Schichten führt dies zu einer guten Wärmeisolation.

Mikroskopisch betrachtet ist Wärme eine Bewegung bzw. Schwingung einzelner Moleküle in dem Material, die sich an die benachbarten Moleküle überträgt. Indem viele Schichten aufeinander aufgebaut werden, verringert sich diese Übertragung: Durch jede neue Grenzschicht wird ein Teil der Wärmeübertragung blockiert. Im Gegensatz dazu kann die Wärme innerhalb einer Schicht gut geleitet werden – hier existieren keine Grenzflächen, die den Wärmefluss blockieren würden. So ist die Wärmeübertragung innerhalb einer Schicht um den Faktor 40 höher als senkrecht dazu.

Die Wärmeleitfähigkeit entlang der Schichten ist hierbei vergleichbar mit der Wärmeleitfähigkeit von Wärmeleitpaste, die unter anderem zur Aufbringung von Kühlkörpern bei Computerprozessoren verwendet wird. Für elektrisch isolierende Materialien auf Polymer/Glas-Basis ist dieser Wert außergewöhnlich hoch – er übersteigt den von handelsüblichen Kunststoffen um den Faktor sechs.

Schallwellen simulieren Wärmeleitung

Damit das Material effizient funktioniert und zudem transparent ist, mussten die Schichten mit sehr hoher Präzision aufeinander aufgebracht werden – jede Inhomogenität würde die Transparenz ähnlich wie ein Kratzer in einem Stück Plexiglas stören. Eine einzelne Schicht hat lediglich eine Höhe im Bereich von einem Nanometer.

Die stark unterschiedlichen Eigenschaften entlang bzw. senkrecht zu den einzelnen Glasplättchen der schichtartigen Struktur untersuchten die Forscher mithilfe einer Laser-basierten Messung genauer. Damit charakterisierten sie die Ausbreitung von Schallwellen im Material, die ähnlich wie Wärme durch die Betrachtung der Schwingungen einzelner Moleküle zu verstehen ist. Aus den unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten kann direkt auf die richtungsabhängigen mechanischen Eigenschaften geschlossen werden, welche mit keiner anderen Methode zugänglich sind.

In ihrer weiteren Arbeit möchten die Forscher noch besser verstehen, wie Schall- und Wärmeausbreitung durch den Aufbau der Glasplatten-Polymer Struktur beeinflusst werden kann. Eine mögliche Anwendung sehen sie im Bereich leistungsstarker Leuchtdioden, in dem die Glas-Polymerschicht einerseits als transparente Verkapselung dient, andererseits die freigesetzte Wärme seitlich abführen kann.

Originalpublikation: Wang, Z.; Rolle, K.; Schilling, T.; Hummel, P.; Philipp, A.; Kopera, B. A. F.; Lechner, A. M.; Retsch, M.; Breu, J.; Fytas, G.: Tunable Thermoelastic Anisotropy in Hybrid Bragg Stacks with Extreme Polymer Confinement, Angewandte Chemie, International Edition in English, Volume 59, Issue 3, Pages 1286-1294, January 13, 2020; DOI: 10.1002/anie.201911546

* Dr. C. Schneider, Max-Planck-Institut für Polymerforschung, 55128 Mainz

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