15.12.2017

Nanostrukturen steuern Wärmetransport

Neues Verfahren zur Wärmeregulierung.

Einer Forschergruppe unter der Leitung von Markus Retsch von der Uni Bayreuth ist es erst­mals gelungen, die von der Tempe­ratur abhängige Wärme­leit­fähig­keit mit Hilfe von poly­meren Materi­alien präzise zu steuern. Bei den poly­meren Materi­alien handelt es sich um photo­nische Kristalle, die bisher haupt­säch­lich auf­grund ihrer Licht­effekte erforscht wurden. Retsch und sein Fabian Nutz haben vier unter­schied­liche Ver­fahren ent­wickelt, um den tempe­ratur­abhän­gigen Wärme­trans­port in solchen photo­nischen Kristallen zu steuern.

Abb.: Die elektronenmikroskopische Aufnahme zeigt die regel­mäßige Nano­struktur eines photo­nischen Kristalls. (Bild: M. Retsch, U. Bayreuth)

Diese Verfahren nutzen die Tatsache, dass polymere Nano­materi­alien wärme­durch­lässiger werden, wenn sie ihre Nano­struktur bei Über­schreiten einer bestimmten Tempe­ratur ver­lieren. Bei den photo­nischen Kristallen kommt es dann zu einem sprung­haften Anstieg der Wärme­leit­fähig­keit: Diese wechselt auf ein zwei- bis drei­fach höheres Niveau. Auf dieser Grund­lage lassen sich durch Ver­ände­rungen in der Nano­struktur der Kristalle klar defi­nierte Effekte beim Wärme­trans­port erzielen.

Bei welcher Temperatur die Wärmeleitfähigkeit auf ein höheres Niveau wechselt, hängt ent­scheidend von der Zusammen­setzung der Nano­partikel ab, die den photo­nischen Kristall bilden. Diese Tempe­ratur kann genau ein­ge­stellt werden, indem ein Weich­macher dem Polymer­gerüst der Nano­partikel zuge­führt wird. Ob die Wärme­leit­fähig­keit inner­halb eines schmalen oder breiten Tempe­ratur­bereichs wechselt, während die Tempe­ratur ansteigt, lässt sich eben­falls präzise steuern: Hier­für genügt es, Nano­partikel mit ähn­licher Größe, aber unter­schied­lichem Weich­macher­gehalt gleich­mäßig zu mischen.

Dadurch kommt es über einen sehr breiten Temperatur­bereich zu dem gradu­ellen Ver­lust der Nano­struktur. Folg­lich erstreckt sich der Anstieg der Wärme­leit­fähig­keit über einen größeren Tempe­ratur­bereich. Darüber hinaus ist es den Forschern durch einen schicht­artigen Auf­bau der Kristalle gelungen, den konti­nuier­ichen Anstieg in eine mehr­stufige Erhöhung der Leit­fähig­keit umzu­wandeln. Zusätz­lich kann man durch die Dicke der ein­zelnen Kristall­schichten präzise beein­flussen, auf welches Niveau die Wärme­leit­fähig­keit bei der jewei­ligen Stufe steigt.

„Die Forschungsergebnisse zeigen, dass es prinzipiell möglich ist, die Wärme­leit­fähig­keit in nano­struktu­rierten Materi­alien mit großer Genauig­keit zu regu­lieren. Die Ent­wick­lung von Materi­alien, die eine präzise Steu­e­rung des Wärme­trans­ports erlauben, steht jedoch erst am Anfang“, sagt Resch. „Unsere bis­herigen Erkennt­nisse sind sehr ermuti­gend, und zeigen interes­sante Konzepte für die Kon­struk­tion energie­effi­zienter Dämm-Materi­alien. Lang­fristig könnten diese Konzepte für die Ent­wick­lung ther­mischer Transis­toren oder Dioden wert­voll sein.“ Aller­dings sei noch eine Hürde zu über­winden ist: Der Anstieg der Wärme­leit­fähig­keit, wie er mit den vier jetzt ent­wickelten Ver­fahren regu­liert werden kann, ist unum­kehr­bar. Das bedeutet, dass die Leit­fähig­keit auf dem einmal erreichten Niveau ver­harrt, selbst wenn die Tempe­ratur wieder sinkt. „Nano­systeme zu konstru­ieren, die eine rever­sible Steue­rung des Wärme­trans­ports ermög­lichen, ist eine schwierige, aber spannende und zugleich zentrale Auf­gabe für die weitere Forschung auf diesem Gebiet“, so der Forscher.

U. Bayreuth / RK

Sonderhefte

Physics' Best und Best of
Sonderausgaben

Physics' Best und Best of

Die Sonder­ausgaben präsentieren kompakt und übersichtlich neue Produkt­informationen und ihre Anwendungen und bieten für Nutzer wie Unternehmen ein zusätzliches Forum.

Veranstaltung

Spektral vernetzt zur Quantum Photonics in Erfurt

Spektral vernetzt zur Quantum Photonics in Erfurt

Die neue Kongressmesse für Quanten- und Photonik-Technologien bringt vom 13. bis 14. Mai 2025 internationale Spitzenforschung, Industrieakteure und Entscheidungsträger in der Messe Erfurt zusammen

Meist gelesen

Themen