Gleichzeitig wärmend und kühlend: Ein nach dem Prinzip einer Doppelverglasung hergestelltes Material macht es möglich.

Bild: Pixabay, Comfreak

Miniatur-Doppelverglasung Gleichzeitig wärmeisolierend und wärmeleitend

21.01.2020

Wissenschaftler haben ein neuartiges Material entwickelt, das richtungsabhängig unterschiedliche Wärmeleiteigenschaften aufweist. Während es in einer Richtung extrem gut Wärme leiten kann, zeigt es in der anderen Richtung gute Wärmeisolation. Das macht beispielsweise Einsätze in leistungsstarken Leuchtdioden möglich.

Wärmeisolation und Wärmeleitung spielen im Alltag eine entscheidende Rolle. Das fängt bei Computerprozessoren an, bei denen Wärme schnellstmöglich abgeleitet werden muss, und reicht bis hin zu Häusern, wo eine gute Isolation für die Energiekosten essenziell ist. Oftmals werden für die Isolation extrem leichte, poröse Materialien wie Styropor verwendet, für die Wärmeableitung kommen schwere Materialien wie Metalle zum Einsatz.

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) und der Universität Bayreuth haben nun ein neues Material entwickelt und charakterisiert, das beide Eigenschaften verbindet.

Aufbau des neuen Materials

Das Material besteht aus sich abwechselnden Schichten hauchdünner Glasplättchen, zwischen die einzelne Polymerketten eingeschoben sind. „Im Prinzip entspricht unser so hergestelltes Material dem Prinzip einer Doppelverglasung“, erklärt 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 zeigt sich eine gute Wärmeisolation. Mikroskopisch betrachtet ist Wärme eine Bewegung beziehungsweise 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 lässt sich die Wärme innerhalb einer Schicht gut leiten. 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 verwendet wird, um Kühlkörper bei Computerprozessoren aufzubringen. Für elektrisch isolierende Materialien auf Polymer/Glas-Basis ist dieser Wert außergewöhnlich hoch – er übersteigt den von handelsüblichen Kunststoffen um den Faktor sechs.

Schichten müssen homogen sein

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 eine Höhe im Bereich von nur einem Millionstel Millimeter.

Um die Homogenität der Schichtfolge zu untersuchen, wurde das Material in der Gruppe von Josef Breu, Professor für Anorganische Chemie an der Universität Bayreuth, charakterisiert. „Wir nutzen hierfür Röntgenstrahlen, mit denen wir das Material beleuchten“, sagt Breu. „Durch Überlagerungseffekte dieser Strahlen, die von den einzelnen Schichten reflektiert werden, konnten wir zeigen, dass die Schichten sehr präzise hergestellt werden konnten.“

Eigenschaften mit Schall erklärt

Eine Antwort, warum diese schichtartige Struktur so außergewöhnlich unterschiedliche Eigenschaften entlang beziehungsweise senkrecht zu den einzelnen Glasplättchen aufweist, konnte Prof. Fytas im Arbeitskreis von Prof. Hans-Jürgen Butt am MPI-P geben. Mit einer speziellen laserbasierten Messung charakterisierte seine Gruppe die Ausbreitung von Schallwellen, die ähnlich wie Wärme durch die Betrachtung der Schwingungen einzelner Moleküle im Material zu verstehen ist.

„Dieses strukturierte, aber dennoch transparente Material eignet sich hervorragend, um zu verstehen, wie unterschiedlich der Schall sich entlang der verschiedenen Richtungen ausbreitet“, sagt Fytas. Aus den unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten kann direkt auf die richtungsabhängigen mechanischen Eigenschaften geschlossen werden, die mit keiner anderen Methode zugänglich sind.

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

Ihre Ergebnisse haben die Forscher in der International-Edition der Fachzeitschrift Angewandte Chemie veröffentlicht.

Bildergalerie

  • Das am MPI-P entwickelte Material leitet Wärme gut entlang der Schichten, während es senkrecht dazu wärmeisolierend wirkt.

    Bild: MPI-P

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