Nanostrukturen steuern Wärmetransport

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.

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