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Chaos hält warm: Wärmeisolation durch gezielte Unordnung erhöht

Markus Retsch

Computersimulationen der Wärmeausbreitung. Links: die Wärme kann die geordnete Struktur leicht durchdringen. Rechts: chaotische Partikelpackungen behindern die Wärmeausbreitung.

04.04.2018: Pulver eignen sich hervorragend für die Wärmedämmung, wenn darin ein Durcheinander von unterschiedlich großen Nanopartikeln herrscht. Dies hat eine Forschungsgruppe von Prof. Dr. Markus Retsch an der Universität Bayreuth jetzt herausgefunden. Die Wissenschaftler haben entdeckt, wie die Wärmeleitfähigkeit von Pulvern durch Ordnung und Unordnung ihrer Bestandteile beeinflusst wird.

Ausgangspunkt der Forschungsarbeiten waren photonische Kristalle, die man in der Natur von verschiedenen Insektenarten her kennt. Sie 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.

Die Bayreuther Forscher haben 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: Anstelle der kristallinen Ordnung herrscht jetzt Unordnung, und auch das attraktive Farbenspiel ist dahin. 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 und hat es umso schwerer, die Mischung zu durchdringen. Von der warmen zur kalten Seite hin abzufließen, ist für die Wärme in einer chaotischen Struktur noch schwieriger als im wohlgeordneten Kristall.

Um diese Zusammenhänge vollständig aufzuklären, haben Prof. Dr. Markus Retsch und sein Team 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.

„Es ist gar nicht so einfach, Unordnung reproduzierbar herzustellen und durch Simulationen zu beschreiben“, erläutert Prof. Retsch die Herausforderungen dieser Studie. „Nur weil wir Nanopartikel vermischt haben, deren Verhalten wir sehr gut kontrollieren können, war es möglich, unsere experimentellen Ergebnisse mit Computersimulationen zu vergleichen.“ Auf diesem Weg gewannen die Bayreuther Forscher detaillierte Einblicke in die Ausbreitung von Wärme in ungeordneten Materialien.

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.

Originalveröffentlichung:
Fabian A. Nutz, Alexandra Philipp, Bernd A. F. Kopera, Martin Dulle, Markus Retsch; "Low Thermal Conductivity through Dense Particle Packings with Optimum Disorder"; Advanced Materials; 2018

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