Polistirolo o rame:entrambi i materiali hanno proprietà molto diverse per quanto riguarda la loro capacità di condurre il calore. Gli scienziati dell'Istituto Max Planck per la ricerca sui polimeri (MPI-P) di Magonza e dell'Università di Bayreuth hanno ora sviluppato e caratterizzato insieme un romanzo, materiale estremamente sottile e trasparente che ha proprietà di conduzione termica diverse a seconda della direzione. Mentre può condurre il calore estremamente bene in una direzione, mostra un buon isolamento termico nell'altra direzione.

L'isolamento termico e la conduzione termica svolgono un ruolo cruciale nella nostra vita quotidiana, dai processori dei computer, dove è importante dissipare il calore il più rapidamente possibile, alle case, dove un buon isolamento è essenziale per i costi energetici. Spesso estremamente leggero, materiali porosi come il polistirolo vengono utilizzati per l'isolamento, mentre materiali pesanti come i metalli vengono utilizzati per la dissipazione del calore. Un materiale di nuova concezione, che gli scienziati dell'MPI-P hanno sviluppato e caratterizzato insieme all'Università di Bayreuth, ora può combinare entrambe le proprietà.

Il materiale è costituito da strati alternati di lastre di vetro sottilissime tra le quali sono inserite singole catene polimeriche. "In linea di principio, il nostro materiale così prodotto corrisponde al principio del vetrocamera, "dice Markus Retsch, Professore all'Università di Bayreuth. "Mostra solo la differenza che non abbiamo solo due strati, ma centinaia."

Un buon isolamento termico si osserva perpendicolarmente agli strati. In termini microscopici, il calore è un movimento o un'oscillazione di singole molecole nel materiale che viene trasferito alle molecole vicine. Costruendo molti strati uno sopra l'altro, questo trasferimento è ridotto:ogni nuovo strato limite blocca parte del trasferimento di calore. In contrasto, il calore all'interno di uno strato può essere condotto bene:non ci sono interfacce che bloccherebbero il flusso di calore. Globale, il trasferimento di calore all'interno di uno strato è 40 volte superiore a quello perpendicolare ad esso.

La conducibilità termica lungo gli strati è paragonabile alla conducibilità termica della pasta termica, che viene utilizzato, tra l'altro, applicare dissipatori di calore ai processori dei computer. Per materiali elettricamente isolanti a base di polimeri/vetro, questo valore è eccezionalmente alto:supera quello della plastica disponibile in commercio di un fattore sei.

Affinché il materiale funzioni in modo efficiente e sia anche trasparente, gli strati dovevano essere prodotti con altissima precisione:qualsiasi disomogeneità avrebbe disturbato la trasparenza simile a un graffio in un pezzo di plexiglas. Ogni strato è alto solo un milionesimo di millimetro, ad es. un nanometro. Per studiare l'omogeneità della sequenza di strati, il materiale è stato caratterizzato nel gruppo di Josef Breu, Professore di Chimica Inorganica all'Università di Bayreuth.

"Usiamo i raggi X per illuminare il materiale, — dice Breu. — Sovrapponendo questi raggi, che si riflettono sui singoli strati, siamo stati in grado di dimostrare che gli strati potevano essere prodotti in modo molto preciso."

Prof. Fytas, membro del dipartimento del Prof. Hans-Jürgen Butt, è stato in grado di dare una risposta alla domanda sul perché questa struttura a strati abbia proprietà così straordinariamente diverse lungo o perpendicolarmente alle singole lastre di vetro. Utilizzando una speciale misurazione basata su laser, il suo gruppo è stato in grado di caratterizzare la propagazione delle onde sonore, che è come il calore legato anche al movimento delle molecole del materiale. "Questo materiale strutturato ma trasparente è eccellente per capire come il suono si propaga in direzioni diverse, " dice Fytas. Le diverse velocità del suono consentono di trarre conclusioni dirette sulle proprietà meccaniche dipendenti dalla direzione, che non sono accessibili con nessun altro metodo.

Nel loro ulteriore lavoro, i ricercatori sperano di ottenere una migliore comprensione di come la propagazione del suono e del calore possa essere influenzata dalla struttura della lastra di vetro e dalla composizione del polimero. I ricercatori vedono una possibile applicazione nel campo dei diodi emettitori di luce ad alte prestazioni, in cui lo strato vetro-polimero funge da un lato da incapsulamento trasparente e dall'altro può dissipare lateralmente il calore rilasciato.

Gli scienziati hanno ora pubblicato i loro risultati sulla rinomata rivista Angewandte Chemie—Edizione Internazionale .