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30.04.2018 | Materialentwicklung | Nachricht | Onlineartikel

Unordnung erhöht Wärmeisolation

Autor:
Nadine Klein

Pulver eignen sich sehr gut für die Wärmedämmung, wenn in ihnen ein Durcheinander von unterschiedlich großen Nanopartikeln herrscht.Wissenschaftler der Universität Bayreuth haben entdeckt, wie die Wärmeleitfähigkeit von Pulvern durch Ordnung und Unordnung ihrer Bestandteile beeinflusst wird.

Photonische Kristalle, die man in der Natur von verschiedenen Insektenarten her kennt, verleihen beispielsweise den Flügeln von Schmetterlingen ihr buntes, schillerndes Aussehen. Solche Kristalle lassen sich im Labor durch polymere Nanopartikel leicht nachbauen. Sie besitzen dabei eine feine, regelmäßige und stabile Struktur. Diese wohlgeordnete Struktur bewirkt, dass Wärme nur schwer durch die Kristalle hindurchfließen kann. Die Wärmeleitfähigkeit ist gering. Eine Forschungsgruppe von Prof. Dr. Markus Retsch an der Universität Bayreuth hat nun herausgefunden, dass aus solchen Nanopartikeln Materialien hergestellt werden können, die eine noch viel geringere Wärmeleitfähigkeit aufweisen. 

Bei diesen Materialien handelt es sich um pulverförmige Mischungen. Während im Innern der photonischen Kristalle jeder Partikel von genau zwölf Partikeln in seiner direkten Nachbarschaft umgeben ist, ist die Anzahl der direkten Nachbarn in der Mischung durchweg uneinheitlich. Deshalb muss die Wärme Umwege in Kauf nehmen, um die Mischung zu durchdringen. Ein Abfließen von der warmen zur kalten Seite gestaltet sich für die Wärme in der chaotischen Struktur schwieriger als im geordneten Kristall. Um diese Zusammenhänge vollständig aufzuklären, haben die Forscher Experimente im Labor mit Simulationen am Rechner kombiniert. So konnten sie im Detail ermitteln, wie sich die Zusammensetzung der Partikelmischung auf den Durchfluss von Wärme auswirkt. Der höchste Isolationseffekt wird erreicht, wenn wenige große Partikel mit sehr vielen kleineren Partikeln vermischt werden. Neben diesem Mischungsverhältnis spielt auch der Größenunterschied zwischen den beiden Partikelsorten eine entscheidende Rolle.

Diese Erkenntnisse sind für viele Anwendungen von großer Bedeutung, insbesondere auf dem Gebiet der Wärmedämmung. So könnte beispielsweise die Wärmeisolationsfähigkeit von Pulverschüttungen verbessert werden. Aber auch für technische Anwendungen, die umgekehrt auf eine rasche und gut kontrollierbare Ableitung von Wärme angewiesen sind, ergeben sich wertvolle Anhaltspunkte. Dies gilt beispielsweise für die Optimierung industrieller Sinterverfahren, bei denen winzige Pulverteilchen verschmolzen werden. Hier kommt es darauf an, die Temperatur an den Schmelzpunkten genau zu regulieren, was durch die verbesserte Ableitung von Wärme möglich ist. In der "Advanced Materials" stellen die Wissenschaftler ihre neuen Erkenntnisse vor.

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Quelle:
Nanophysik und Nanotechnologie

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