Per la prima volta, Il prof. Dr. Markus Retsch e il suo gruppo di ricerca presso l'Università di Bayreuth sono riusciti a controllare con precisione la conduttività termica dipendente dalla temperatura con l'aiuto di materiali polimerici. Questi materiali funzionali avanzati, inizialmente prodotti per esperimenti di laboratorio, sono stati ora presentati sulla rivista Progressi scientifici . I risultati sono di grande rilevanza per lo sviluppo di nuovi concetti di isolamento termico.

Dalle ali di farfalla ai nuovi materiali funzionali

I materiali polimerici che consentono di controllare la conducibilità termica sono i cristalli fotonici. Spesso danno farfalle, coleotteri, e altri insetti dai colori abbaglianti e sono stati studiati principalmente per i loro effetti ottici. Prof. Dr. Markus Retsch, Lichtenberg Junior Professor di sistemi polimerici, e il suo studente di dottorato Fabian Nutz (M.Sc.) hanno sviluppato quattro diversi metodi per controllare il trasferimento di calore dipendente dalla temperatura in tali cristalli fotonici.

Questi metodi sfruttano il fatto che i nanomateriali polimerici diventano più permeabili al calore una volta che perdono la loro nanostruttura attraversando una certa soglia di temperatura. Questo è quando la conduttività termica dei cristalli fotonici sale alle stelle a un livello che è due o tre volte più alto di prima. Su questa base, effetti chiaramente definiti sul trasferimento termico possono essere ottenuti tramite cambiamenti nella nanostruttura dei cristalli.

La formazione del film aumenta la conduttività termica

La ricerca degli scienziati di Bayreuth ha dimostrato che la temperatura alla quale la conducibilità termica sale a un livello superiore dipende in modo cruciale dalla composizione delle nanoparticelle che compongono i cristalli fotonici. Questa temperatura può essere regolata con precisione incorporando un plastificante nella struttura polimerica. È anche possibile controllare con precisione se la conduttività termica cambia all'interno di un intervallo di temperatura ampio o ristretto quando la temperatura aumenta:per farlo è sufficiente che le nanoparticelle di dimensioni simili ma che differiscono per quanto riguarda il contenuto di plastificante siano equamente miscelate. Ciò porta a una graduale perdita della nanostruttura in un ampio intervallo di temperature. Di conseguenza, l'aumento della conduttività termica copre anche un intervallo di temperatura più ampio.

Inoltre, utilizzando una struttura a strati, i ricercatori sono anche riusciti a trasformare il continuo aumento in un aumento multilivello della conduttività. Regolando lo spessore dei singoli strati di cristallo, si può anche influenzare con precisione il livello di conducibilità che viene raggiunto al rispettivo livello.

Potenziale per la tecnologia energetica e la gestione termica

"Questi risultati della ricerca dimostrano che in linea di principio è possibile regolare la conduttività termica nei materiali nanostrutturati con un alto grado di precisione. Tuttavia, lo sviluppo di materiali che consentono un controllo preciso del trasferimento termico è solo l'inizio. I nostri risultati fino ad oggi sono molto incoraggianti e hanno rivelato concetti interessanti per la costruzione di materiali isolanti più efficienti dal punto di vista energetico. A lungo termine, questi concetti potrebbero essere preziosi per lo sviluppo di transistor o diodi termici, " ha spiegato il prof. Retsch.

Lui ha fatto, però, indicano un ostacolo che deve ancora essere superato:l'aumento della conducibilità termica – come regolato nei quattro metodi sviluppati dal team – è irreversibile. Ciò significa che la conduttività rimane al livello raggiunto anche quando la temperatura scende nuovamente. "La costruzione di nanosistemi che consentano il controllo reversibile del trasferimento termico è un compito difficile ma entusiasmante e centrale per ulteriori ricerche in questo campo, " ha detto il prof. Retsch.